长玻璃纤维增强聚丙烯材料在汽车领域中的应用及前景展望

王 敏， 胡仁其， 吴 谦

(1. 上海汽车集团股份有限公司乘用车公司， 上海 201804；2. 上海金发科技发展有限公司, 上海 201714;3. 上海工程塑料功能化工程技术研究中心， 上海 201714)

0 前言

伴随着汽车行业的全面发展，人们对于汽车性能的要求越来越高，国家对于汽车节能降耗和降低排放污染的要求也越来越严格。尤其是2016年底中国环境保护部颁布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》中明确了国六标准正式实施的时间，该标准被认为是迄今为止全球最严格的排放标准。面对如此大环境，汽车轻量化势在必行。轻量化必须首先从改进汽车的材料出发，研制出性能更好、质量更轻的材料。新材料的应用并非简单的质量减轻，而是在保证车身强度和安全性能的前提下，达到最大限度的减重，同时要保证汽车的制造成本控制在合理范围内。

长玻璃纤维(LGF)材料具有力学性能高、抗冲性能好、低翘曲、耐蠕变和耐疲劳性能优良等诸多优点[1]。长玻璃纤维增强聚丙烯(PP-LGF)材料更是由于其密度轻、不吸水、尺寸稳定性好、成本低等诸多优势成为了LGF材料中应用前景最好的一类[2]。近年来国内PP-LGF材料取得了迅猛的发展，无论是在理论方面系统的研究，开发与生产，还是具体到汽车工业中的工程应用，都积累了大量宝贵的经验。

1 PP-LGF在汽车轻量化中的发展历程

1993年，随着德国Hoechst Celanese公司对其商品Celstran的规模化生产及市场开发，长纤维增强热塑性塑料(LFT)材料逐步从理论设计及小批量生产预研阶段跨入规模化应用阶段。在汽车轻量化的必然发展趋势下，世界主流的汽车制造厂商都纷纷与各大原材料供应商展开合作，研究LGF材料以塑代钢技术，挖掘汽车零部件应用的方向。汽车轻量化成为了助推LFT材料迅速发展的核心力量。据不完全统计，LFT材料80%以上的需求来自于汽车零部件，选材基本为PP-LGF材料[3-4]。应用部件主要集中在力学性能要求较高、外观要求不高的部件，如前端模块、仪表板骨架、门模块、汽车车身底护板等。

在国内，部分科研高校及企事业单位如上海金发科技发展有限公司(简称金发科技公司)、华东理工大学等均开展并完成了LFT材料的研发及工业化生产。其中，金发科技公司等率先完成了第三代熔体全浸渍法LFT材料生产工艺及专用设备的开发，达到国际先进水平。中国自主品牌汽车制造厂商也逐步完成了PP-LGF材料零件的应用开发。目前，中国自主品牌通过与国内外先进LFT材料供应商合作，形成了成熟的产业链，在产业化进程及应用开发层面取得长足进步。

2 PP-LGF材料在汽车领域的应用

PP-LGF材料由于其优异的力学性能、耐蠕变及耐疲劳特性，可用于力学强度要求较高零部件。同时，通过耐热改性，PP-LGF材料的耐热稳定性可以得到大幅提升，从而满足发动机周边零件的使用需求。近年来，随着长纤维生产设备及工艺的不断优化，PP-LGF材料玻璃纤维的浸渍水平提高明显，制件外观优良，可以满足部分内外饰零件的要求。目前，汽车行业的发展趋势是模块化平台制造，通过将使用相似部件的公共架构模块化地进行整合，提高了零部件通用率，简化了生产制造与工艺装配的流程，从而大幅降低了开发、验证到生产的成本。PP-LGF材料由于其优异的性能在模块平台化制造的趋势中成为首选聚合物复合材料[5]，在众多模块的骨架件、结构件等均有大量应用。笔者总结了不同模块中PP-LGF材料的典型应用。

2.1 前端模块

前端模块是汽车制造商集成优化，模块化生产思路的产物，而前端框架属于前端模块的核心部件，从设计方案上，前端框架经历了金属、混合(金属+塑料)和全塑料(简称全塑)的发展历程。与金属前端框架相比，全塑前端框架集成度平均增加80%，其选材主要包括短玻璃纤维增强聚酰胺6(PA6)及PP-LGF。与前者相比，PP-LGF材料在零件中的玻璃纤维保留长度可以达到3 mm左右，较短纤维材料而言有数量级的提升。玻璃纤维与树脂表面结合比表面积增加，同时在零件中形成三维网络结构，提高了制品的力学性能及长期蠕变疲劳特性。此外，PP-LGF材料还具有尺寸稳定性好，在潮湿环境中不吸水，密度轻等优势，成为前端框架材料的首选。表1给出了前端框架用PP-LGF材料的典型性能,其中:密度的测试条件为23 ℃;拉伸强度的测试条件为10 mm/min;拉伸模量的测试条件为1 mm/min;弯曲强度的测试条件为2 mm/min;弯曲模量的测试条件为2 mm/min;缺口冲击强度的测试条件为23 ℃和-40 ℃。

PP-LGF全塑前端框架较金属前端框架减重明显，2002款宝马Mini采用全塑PP-LGF前端框架方案，使得前端模块完成了多达13个部件的集成[6]，包括：发动机罩锁、制冷系统、风扇电机、风扇叶轮及其护罩、碰撞保护系统、雾灯、前照灯及其清洁系统、水箱、气流冲压阀板、喇叭、前格栅和前围等，综合减重质量分数达30%以上。全塑PP-LGF方案的采用，与钣金组件系统相比，减少了部件，噪声、振动与声振粗糙度(NVH)性能得到改善；同时，前端框架位于前轴的前方，减重还对驾驶动力学及能耗产生显著影响。

表1 主流前端框架PP-LGF材料的典型性能

目前，大众、福特、宝马、奔驰、日产、上汽、广汽、吉利、江淮等主机厂均采用全塑前端框架，其中PP-LGF为主要选材。

2.2 车门模块

车门模块集成了门把手、玻璃升降机构、门锁系统、音响等众多部件。与前端模块类似，门模块经历了玻璃升降器钢导轨密封型的钢结构，到塑料基板加玻璃升降器钢导轨的混合结构，到最新一代的全塑门基板技术。全塑门基板将玻璃升降器导轨集成于之上，一体注塑成型，避免了二次装配，工艺和成本都有了大幅缩减，同时零件质量实现20%～30%的下降。在上汽Marvel X车型门模块中，通过采用玻璃纤维质量分数为30%的PP-LGF(简称PP-LGF30)全塑方案，集成了玻璃升降导轨、摇窗电机、扬声器等多个部件，简化了装配流程，降低了整车装配成本。VOLVO 的XC60、S60及S90车型，通过选用PP-LGF材料注塑车门模块的门基板，将门基板与车门蒙皮完全密封，从而起到了很好的防潮及隔音降噪作用。吉利CMA平台的CS11车型等也采用了类似设计。此外，PP-LGF材料还被广泛应用于车门模块的摇窗电机壳体：博泽公司为大众MQB平台提供的摇窗电机壳体即采用玻璃纤维质量分数为40%的PP-LGF(简称PP-LGF40)，尺寸稳定性及力学性能优良。

2.3 仪表板模块

汽车仪表板总成是集成仪表、空调、安全气囊及操控件等零部件的综合平台，是汽车内饰件中重要的功能件与装饰件。仪表板骨架位于表皮下方，传统仪表板骨架材料采用常规填充聚丙烯(PP)材料或者聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PC/ABS)合金材料。PP-LGF材料方案与前两个方案相比，材料强度更高，可以实现在相同强度要求下，壁厚设计更薄，同时还可实现部分集成功能，从而较好地减重。大众选用PP-LGF材料注塑仪表板骨架，与传统方案相比实现20%减重，同时模拟碰撞试验表明，PP-LGF材料方案由于骨架本体强度及刚度更高，能量吸收要比传统材料高50%。表2列出了仪表板骨架几种典型材料的基本力学性能。

表2 仪表板骨架几种典型材料的基本力学性能

目前，自主品牌上汽、吉利等均采用PP-LGF材料注塑成型仪表板骨架。长安及众泰等主机厂还开展了微发泡PP-LGF材料仪表板骨架的研究，微发泡后的零件在保证力学性能高于原有常规填充PP方案的同时，较不发泡普通PP-LGF材料制件还可以实现进一步的减重达8%左右。上汽中心实验室材料部门与金发科技公司也联合进行了PP-LGF30物理发泡方案及PP-LGF20化学发泡方案的评估，对物理微发泡和化学微发泡适用零件进行了细分。试验表明：PP-LGF微发泡方案尤其适用于一些力学性能及外观要求均适中的零件。例如仪表板骨架在实现10%左右减重的同时，力学性能较PC/ABS及PP+EPDM-T20方案零件力学强度还会有明显上升，具有较好的应用前景。

2.4 发动机冷却系统

发动机冷却系统通过将车头的冷空气直接吹向散热器，使得散热器内的高温防冻液得到冷却，从而带走热量，起到发动机冷却作用。护风圈是汽车发动机冷却及空调热交换系统上的一个重要支架零件，与前端框架类似，其上装配有电机、风扇离合器及换热风扇等零部件，因而也是一个承力性部件。传统的汽车护风圈采用钣金件，零件质量大，需要进行表面防腐处理等工序。目前，热塑性材料已成为护风圈选材的主流，而PP-LGF材料由于其优秀的力学性能、长期耐蠕变和耐疲劳性能成为了理想选材。由于护风圈的使用温度较高，因而对于材料的长期耐热氧老化能力要求较高。长纤维材料经过热稳定改性后完全满足零件相关需求。表3列出了典型主机厂对于PP-LGF材料的热氧老化要求。目前，马自达、捷豹路虎、福特等汽车主机厂均采用了PP-LGF材料的护风圈方案，与短纤维增强聚酰胺材料的方案相比，可以减重15%～20%。

表3 典型主机厂PP-LGF材料热氧老化要求

2.5 全塑尾门模块

全塑尾门按照其使用材料经历了三代发展：全热固性塑料尾门方案，热固性塑料内板加热塑性塑料外板方案，以及最新的全热塑性塑料尾门。由于在追尾碰撞中，汽车中后部起到主要吸能缓冲、抵抗变形功能的是后保险杠与C柱(两开门)或者D柱(四开门)以及地板纵梁组成的尾部溃缩吸能区，因而尾门并不承担主要吸能缓冲功能或防止驾驶舱变形功能。吴海京等[7]针对某型SUV做了高速追尾碰撞结构安全性研究表明，尾门所吸收的能量仅占2.8%，而在低速碰撞过程，主要通过尾部防撞梁及吸能盒的溃缩来吸收能量。JEYANTHI S等[8]通过实验及有限元联合仿真分析表明，PP-LGF材料在侵入量及能量吸收方面也能起到较好表现。综合来看，PP-LGF材料的全塑尾门方案完全可行。全塑尾门方案内板采用PP-LGF材料，外板采用低线性膨胀系数的PP材料或者热塑性聚烯烃弹性体(TPO)方案。内外板使用涂胶工艺进行装配。与玻璃钢片状模塑料(SMC)材料相比，PP-LGF材料刚度及强度相当，密度轻很多。同时PP-LGF方案相较玻璃钢SMC材料的挥发性有机物(VOC)挥发物含量要低很多，符合当前汽车低VOC的发展趋势。雷诺首先在其Clio车型上使用了全塑尾门方案，其中内板采用PP-LGF材料，整个尾门综合减重较上一代达10%以上，同时材料可回收再利用。日产在其某车型中采用PP-LGF内板及TPO外板方案，与传统金属方案相比，减重约30%，同时燃油经济性提高了10%[9]。目前上汽Marvel X采用PP-LGF内板方案的全塑尾门，与传统金属尾门相比，减重约30%。

金发科技公司等PP-LGF原材料供应商对PP-LGF全塑尾门内板方案，内外板黏胶、内板黏玻璃胶、金属胶在常温及高低温循环过程中的性能表现都做了深入的研究。随着减重需求的增加，未来PP-LGF在国内汽车市场的全塑尾门趋势中应用潜力十分巨大。

2.6 其他部件

PP-LGF材料由于其优秀的力学性能、长期耐蠕变和耐疲劳特性，在其他结构件中也应用广泛。

伟巴斯特、英纳法及恩坦华等天窗系统零部件制造厂商选用PP-LGF40或玻璃纤维质量分数为50%的PP-LGF (简称PP-LGF50)作为天窗前后横梁选材，一方面，制件强度刚度得到保证，另一方面，长纤维材料优异的抗翘曲性使得横梁不易变形，尺寸稳定。相对于金属件方案，PP-LGF方案可以减重20%～30%。

排挡机构目前主要采用金属材料及短纤维增强聚酰胺材料的方案，PP-LGF材料由于其不吸水的特性，可以减少高温、高湿环境中零件失效的风险。同时，PP-LGF材料优异的耐蠕变及耐疲劳特性也满足排挡机构长期频繁换挡工作，需要经受振动的要求。目前，吉利等自主品牌已经采用PP-LGF50作为排挡盒壳体的选材。

PP-LGF材料还被广泛应用于汽车蓄电池托架中。通用、奔驰、上汽及吉利等主机厂采用PP-LGF40或PP-LGF50注塑成型蓄电池托架零件，材料强度及韧性高，制件壁厚较薄，易于固定安装。与传统金属材料相比，PP-LGF材料可减重15%左右，且材料成本大幅降低。

在汽车外饰零件系统中，PP-LGF材料也作为结构件有所应用，例如：奔驰旗下的Smart品牌，通过PP-LGF40注塑成型行李架及缓冲器等零件，在保证了力学强度的同时，质量减轻明显，综合油耗下降1%左右。部分主机厂选用玻璃纤维质量分数为45%的PP-LGF(简称PP-LGF45)的方案代替短纤维增强聚酰胺方案注塑成型后视镜支架，零件成本降低，减重达20%左右。

经过耐热改性后的PP-LGF材料在发动机周边也有着一定用武之地，例如：长安、东风、五菱等主机厂采用PP-LGF材料作为发动机罩盖的选材，零件外观良好，相较传统短纤维增强及填充增强聚酰胺的方案，可以减重15%左右。奔驰采用PP-LGF材料作为发动机底护板，长纤维材料良好的韧性保护了发动机免受底盘刮擦的风险。同时，奔驰还引入微发泡注塑PP-LGF技术，可以实现进一步减重7%左右。

3 应用前景

伴随着汽车工业的发展，尤其是新能源汽车的发力，新能源汽车受限于其本身部件电池包的加入，因而质量会有大幅增加，轻量化技术的应用就显得更为关键[10]，笔者展望了PP-LGF材料在未来汽车领域的前景。

3.1 仪表板横梁

仪表板横梁(CCB)是仪表板总成及其附件的关键承力部件，其传统结构一般为一根横置的金属梁及焊接支架以承受各种电子、空调及转向模块[11]。目前，塑料与金属的混合CCB方案也已经日益成熟。戴姆勒通过将带有聚酰胺黏合剂模的铝合金管放入模具中，注塑聚酰胺进行嵌件成型，得到了混合CCB。该工艺省去了多个树脂零部件的单独开模注塑问题，同时也省去了螺丝连接环节，简化了工艺并降低了成本。奔驰A级率先采用了此技术。全塑CCB方案可以进一步做到大幅减重及工艺简化。近年来，国内多个主机厂(如通用、吉利等)均开展了此方面的预研。PP-LGF50由于其较高的力学强度及尺寸稳定性成为理想选材。

3.2 电池包上盖

目前，新能源汽车在国内发展火热，众多新能源汽车制造厂商如雨后春笋般涌现出来。各大传统汽车主机厂也都制定了自己的新能源发展战略。电池包作为新能源汽车的核心能量源，为整车提供驱动电能，它通过壳体包络形成电池包主体。电池包壳体作为电池模块的承载体，对整个模块的安全工作和防护都起到至关重要的作用。采用PP-LGF阻燃材料成型电池包上盖，可以满足UL94 1.6 mm V-0等级要求[12]，同时制件表面良好无浮纤，盖板翘曲变形也很小。相比于传统金属电池包，PP-LGF阻燃材料方案在集成性、电磁屏蔽、绝缘及防水性方面均有优势。与SMC玻璃钢方案相比，PP-LGF阻燃材料方案制件壁厚相当，为3.0～3.2 mm，并可进一步减重10%～20%，成型效率高，同时还具有易回收等优势。吴德顺[13]分别设计了金属材料及PP-LGF材料电池包方案，并完成了静强度分析，结果表明，PP-LGF方案可以实现减重80%，同时不同工况下的最大应力还可降低55%～60%。

4 结语

伴随着汽车工业的发展，政府对于汽车的排放也有着越来越严苛的要求，汽车轻量化迫在眉睫。《乘用车企业平均燃料消耗量核算办法》中已经明确提出：到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/(102km)。未来，汽车零件将会更多地采用模块化、高度集成化的思路进行开发设计[14-15]。因而，对于各大汽车制造厂商来说，要想完成如前所述的发展目标，PP-LGF材料在前端模块、门模块及全塑尾门模块等部件中积累的大量宝贵经验可以完全应用到其他部件中去，从而有效地实现减重，并减少装配工艺，从而达到降本降耗。同时，PP-LGF材料生产工艺的灵活性也使得很多钣金所不能实现的形状及结构得以实现，给结构设计及造型设计带来了很大的自由度。在轻量化的同时，汽车的可靠性、安全性、舒适性也是必须要满足的；因而各大汽车主机厂还需要与原材料供应商更加紧密地合作，进一步挖掘PP-LGF材料的潜能。未来PP-LGF材料开发与应用的发展方向为：

(1) 专门针对PP-LGF材料联合仿真分析手段的开发。PP-LGF材料由于其玻璃纤维取向的各向异性，难以做到仿真分析的准确性[16]，需要建立更为准确及完善的分析模型以满足PP-LGF新零件的开发。

(2) 优良外观PP-LGF材料的开发。未来随着更多零件的一体化设计，对于PP-LGF零件的外观要求也会越来越高，需要开发外观更好的PP-LGF材料。

(3) 阻燃PP-LGF材料的开发。随着新能源汽车的大力发展，会有更多零件尤其是电池包周边零件会提出更高等级阻燃的要求，需要持续开发阻燃级别更高的PP-LGF材料，尤其是无卤阻燃材料。

(4) 低散发特性PP-LGF材料的开发。随着汽车乘客舱零件越来越多地采用PP-LGF材料方案，针对PP-LGF材料的低散发特性要求也会越来越高。

伴随着国内汽车工业的蓬勃发展，PP-LGF将在未来的汽车领域大展身手，应用前景广阔。