CGFRPP工藝、性能及門內板制備可行性研究

鞏西琛 黃駿霖 高祥達 宋劉洋 郭文博

（東風汽車集團有限公司技術中心，武漢430100）

1 前言

汽車數量的迅猛增長使得能源消耗和污染排放日益嚴重，汽車輕量化是解決該問題的有效途徑之一，其技術的發展對節能減排、降耗環保、推動可持續發展具有重要意義[1-2]。連續纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）是一類以熱塑性塑料為基體、以連續纖維為增強材料的復合材料，結合“以塑代鋼”技術，其高強度、高剛性、低密度性能廣泛適用于汽車半結構件、結構件[3]。

連續玻纖增強聚丙烯（CGFRPP）是CFRTP中的1種，具有原料簡便易得、易加工、低成本、高性能、可回收利用等優勢，近年來受到行業研究者的普遍關注，迎來快速的發展[4-5]。

針對CGFRPP的發展現狀，對其材料生產成型工藝技術、零部件生產成型工藝技術進行了調研，對材料性能進行測試表征，系統地分析了CGFRPP材料性能與微觀結構的關系，同時結合已量產的某車門內板模塊進行厚度、質量、成本等方面的對比分析，預測該類材料用于乘用車車門內板模塊的前景。

2 CGFRPP材料及零部件成型工藝

目前，CGFRPP材料主要以單向預浸帶與復合有機板2種形式進行供貨，其中單向預浸帶是構成復合有機板的基礎材料。在車用零部件制作過程中，主要是將預浸帶、復合有機板進行模壓成型作為零部件內嵌骨架，再經注塑成型制備成汽車零部件。

2.1 CGFRPP材料生產工藝

CFRTP材料領域已發展多年，業內已形成諸多生產工藝技術。熔體浸漬法是近年來發展較快的工藝方法，已成為1種常用的制備工藝[3]，該方法不僅能夠精準控制玻纖含量，而且成型周期短，可實現大規模連續化生產[6]。

如圖1所示，熔體浸漬法制備單向預浸帶時，通常將展絲后的玻璃纖維經過牽引，通過含有熔融樹脂的膠槽浸漬，后烘干成卷成型[7]。

圖1 單向預浸帶-熔體浸漬法

通過采用熔體浸漬法生產技術，預浸帶片材可獲得以下幾個特點。

a.片材厚度可控，單片穩定控制精度高，范圍為0.15～0.40 mm；

b.纖維/樹脂含量精準可控，最高可達到70%；

c.表觀質量優異無毛刺，纖維分布均勻。

圖2所示為熔體浸漬法制備的單向預浸帶的微觀及表觀圖像，電鏡下橫截面積圖像表明玻纖的分散結構，玻纖與玻纖之間被樹脂填充，SEM（掃描電鏡）圖表明浸漬效果理想，樹脂充分填充纖維空隙，表觀質量圖像表明產品表面光滑無毛刺。

圖2 單向預浸帶-玻纖分布及表觀質量

2.2 零部件成型工藝

在制作零部件前，單層預浸帶應按需求采用在線熱壓合工藝制備成多層復合有機板。鋪層時根據連續玻纖的取向將復合有機板分為不同的多取向板材，經典取向包括0°取向復合板（簡稱0°取向，下同）、90°取向復合板、[0°，90°，0°，90°……]取向復合板、[0°，45°，90°，135°，0°……]取向復合板等，如圖3所示。

圖3 連續玻纖樣條取向方向示意

復合有機板制備成零部件的成型工藝根據材料的種類大致分為直接模壓工藝、在線模壓混合成型工藝、重疊注塑成型工藝3種。

2.2.1 直接模壓工藝

該方法針對單一熱塑性預浸料，采用預熱加壓進行成型。將制品所需尺寸的復合有機板用固定夾具固定，置于烘箱或紅外加熱箱內加熱，后將軟化復合有機板移至模壓模具內并施加壓力，進行胚料制品成型，最后采用機加工修邊、鉆孔[8]，如圖4所示。

圖4 直接模壓成型工藝[8]

2.2.2 在線模壓混合成型工藝

該方法與直接模壓成型法類似，同樣是將所需尺寸復合有機板加熱軟化，然后移至模壓模具內，但在模壓前使用單向帶或有機板作為局部補強材料，配合GMT（聚丙烯基玻纖增強塑料）、DLFT（長玻纖增強塑料）、LWRT（輕質熱塑性片材）材料進行一體模壓成型[9]，冷卻后取出進行修邊鉆孔，如圖5所示。

圖5 在線模壓混合成型工藝[9]

2.2.3 重疊注塑成型工藝

重疊注塑成型工藝，即Over Molding工藝，是1種將連續纖維增強熱塑性片材與傳統注塑工藝進行工藝復合開發出的1種新型工藝。該工藝已實現機械自動化，采用機械臂將復合有機板抓至預加熱裝置中，軟化后放入模具進行合模，直接將有機片材壓制成所需形狀，然后采用注塑工藝成型復雜加強結構，最終冷卻成型[10]，如圖6所示。

圖6 重疊注塑成型工藝[10]

3 CGFRPP材料性能及解析

CGFRPP材料中玻纖含量對材料的力學性能影響較大。連續玻纖含量增加時，材料的拉伸模量、彎曲模量、沖擊強度都有所上升，但隨著玻纖含量的增加，性能提升效果會放緩，并且加工成型難度會驟增，玻纖含量的增加也會導致浸漬效果難以保障。因工藝手段限制與產品定型所需，市面上CGFRPP材料的玻纖含量質量分數多控制在60%～70%。

選用市面上國內某2家材料商提供的CGFRPP板材A和板材B（共5種取向），測試材料的玻纖含量、物理性能、熱性能、力學性能等，結合國外供應商提供的某牌號C，針對材料表現出來的性能，給出微觀結構層次的分析討論。

3.1 材質分析

對材料A及材料B進行紅外及灰分的測試，驗證2種材料均為PP基材，且材料A中玻纖填充量質量分數為60%，材料B中玻纖填充量質量分數為70%，在此不同玻纖填充量下，其密度分別為1.48 g/cm3與1.61 g/cm3，與樣品C、鋼材和鋁合金的密度對比見表1。

表1 CGFRPP材質密度對比

3.2 力學性能表征及分析

CGFRPP高強度、高模量的性能特點是其在乘用車結構件上實現“以塑代鋼”的前提，并且雙取向材料能彌補單取向材料在某些方向上性能的不足。測試了材料A、材料B、雙取向材料B的拉伸、彎曲、沖擊的相關性能，與樣品C、鋼材結果對比如表2所示，并在微觀結構層面加以分析。

表2 CGFRPP力學性能表征

3.2.1 拉伸結果分析

對材料A、B而言，0°取向與90°取向樣條在拉伸性能上表現差距極大。無論拉伸強度還是拉伸模量，0°取向的材料性能都顯著優于90°取向材料。這是因為0°取向樣條在受拉伸力作用時，其受力方向與連續玻纖取向方向一致，CGFRPP中大量連續玻纖承擔了主要負荷，因此材料能承受更大的作用力，這是玻纖起到增強效果的機理，同時可以看出，國產材料B在拉伸模量上已大體接近國外材料C，拉伸強度還存在一定差距；90°取向材料受力方向與玻纖取向垂直，力的承接與傳遞更多的依靠PP本體，玻纖橫穿在樣條中使本體作用力薄弱，樣條能承受的力較小。

為避免材料90°取向的力學弊端，實際使用時應采用雙取向或多取向材料。樣品B存在雙取向樣條（由[0°，90°，0°，90°……]鋪疊而成，總厚度為2 mm）。測試表明，樣品B雙取向材料拉伸模量接近20 GPa，拉伸強度達到446 MPa。車門內板鈑金強度約300 MPa，模量約210 GPa。CGFRPP所達到的拉伸強度已能滿足金屬制件要求，剛性相差近10倍，可通過增加一定厚度滿足需求。

3.2.2 彎曲結果分析

在強度和剛性方面，無論樣品A還是樣品B，0°取向的材料性能都遠優于90°取向的材料，且差距較大（相差近8倍）。同時，0°取向的樣品A與樣品B彎曲模量均達到了30 GPa。

另可發現，無論是0°取向還是90°取向，樣品B（玻纖含量質量分數為70%）材料的彎曲模量均略高于樣品A（玻纖含量質量分數為60%），該結果表明對含量質量分數為60%的玻纖增強塑料而言，質量分數增加到70%仍會提高模量，但提升效果有限（低于8%）。與拉伸結果相同，采用雙取向或多取向材料可有效避免90°取向材料的力學性能弊端。

3.2.3 沖擊結果分析

在簡支梁沖擊試驗中，0°取向材料A與材料B均展現出了極高的強度。在該取向下，無論缺口存不存在，樣條均無法被擺錘沖斷，原因是PP基材中加入的連續玻纖的取向與沖擊力方向垂直，玻纖束能有效分散、承受擺錘的沖擊力，使樣條無法被沖斷。與之相反的，90°取向的2種材料則顯示出極低的強度，試驗過程中采用最輕重量的擺錘也能輕易的沖斷樣條，其測試結果僅為2～5 kJ/m2，顯示出較差的抗沖擊性，其原因是玻纖的貫穿狀態降低了PP材料的連接性，使其不耐沖擊。

懸臂梁沖擊試驗結果與簡支梁沖擊試驗結果相似，再次表明90°取向的材料抗沖擊能力差，結合拉伸和彎曲的討論結果，采用雙取向材料以避免90°取向材料力學性能缺陷是非常必要的。

3.2.4 熱變形結果分析

常規PP熱變形溫度為110℃左右，經過連續玻纖加強后，0°取向的3種樣品熱變形溫度均超過160℃，近乎于PP熔點，這是由于0°向玻纖束對垂直方向的力起到了強力的支撐作用，導致PP基材難以彎曲變形。與之相比，90°取向的2種樣品熱變形溫度低于常規PP，這是因為90°取向的玻纖在水平方向上無受力點，無法支撐垂直方向上的壓力，并且玻纖含量的增加降低了PP含量，導致與樣品A相比玻纖含量更高的樣品B更容易軟化變形。

4 CGFRPP用于車門內板模塊的可行性

4.1 輕量化收益分析

圖7為某量產車門內板模塊的圖片，該門內板模塊本體采用1種CGFRPP有機片材，先壓制出內襯骨架，再用PP-LGF30注塑成型包括玻璃升降導軌在內的復雜結構，背面沿周一圈在線發泡PU用于密封；將本體作為載體，后續安裝電機、拉繩、導向輪、玻璃托架、電機固定支架、塑料固定卡扣等部件。前、后車門內板模塊的主要區別在于前門的玻璃升降導軌為雙導軌，后門的為單導軌。

圖7 某量產車塑料門內板模塊

將其與現生產同級別乘用車傳統車門內板進行厚度對比，根據材料領域剛性替換公式（1）進行厚度變化分析。

對鋼質門內板進行有機材料的同剛性替換，替換后的結果如表3，門內板厚度將從鋼鐵材質的0.7 mm增加至約1.55 mm，但材料的面密度可降低約53.7%，可見采用復合有機板有很好的輕量化效果。

表3 CGFRPP材質密度對比

實際應用的減重效果方面，為方便比較，替換前后大致相當的電機、拉繩、玻璃托架、電機固定支架等當做質量無差異處理。綜合可得，前門減重1.2 kg（減重達16%），?后門減重1.4 kg（減重達21%），整車合計可減重約5.2 kg（整車車門減重達18%）。

4.2 成本投資分析

將CGRFPP前、后車門內板模塊替換傳統方案，進行成本投資分析。同樣為方便比較，替換前后大致相當的電機、拉繩、玻璃托架、電機固定支架等當做成本無差異處理。可以得出，整車合計增加材料成本約550～700元。此外，涉及新增投資600～1 000萬元，假定按10萬輛攤銷，每車投資成本增加近60～100元。

4.3 零部件成型分析

零部件成型技術與供應商資源方面，由于雙向乃至多向連續纖維的限制，材料成型的延展性不好，不能直接成型較復雜的零部件，通常有機片材經壓制作為內襯的骨架，背后或周邊的復雜機構則采用塑料模壓、塑料注塑的方式。為保證加工效率和產品質量，塑料注塑這種專門的機組只有國外少數供應商可以生產，投資昂貴，大大限制了該類零部件的工業化推廣應用。

5 結論

a.CGFRPP材料目前在國內市場存在市售資源，熔體浸漬法工藝技術具有樹脂含量控制精準、生產效率高、浸漬效果好等優點，是成熟的工藝技術。

b.CGFRPP材料在力學性能方面表現優異，其拉伸強度已經堪比一般高強鋼，彎曲模量高表明其抗形變能力突出，材料的耐溫性好，在性能上足以滿足車門內板的性能需求。

c.零部件成型技術尚不普及，供應商資源非常少，限制了該類零部件的工業化推廣應用。CGFRPP用于車門內板模塊替代傳統方案，整車合計可減重約5.2 kg，材料成本增加550～700元、投資成本增加600～1 000萬元。盡管有較明顯的輕量化收益，車門內板的隔音性大為改善，高昂的成本和投資費用是其全面應用的最大障礙。

CGFRPP是一類綜合性能優異的復合材料，具備作為結構材料以塑代鋼的可行性，但零部件結構設計技術較薄弱、成型裝備選擇面小、投資昂貴等方面限制了該材料的推廣應用。隨著對材料的更充分研究、CAE分析技術和結構設計技術的進步、國內成型裝備的產業化，預該材料在未來汽車上的應用會有長足的發展。