LGF复合材料在商用车中的应用研究

陈荣，江雅珍，毕晓妹，麻俊方

LGF复合材料在商用车中的应用研究

陈荣，江雅珍，毕晓妹，麻俊方

（中国重汽集团工艺研究院，山东 济南 250101）

LGF即为长玻纤增强热塑性复合材料，具有密度低、比强度高、回收利用率高等特点，对汽车轻量化的发展具有重要意义。文章介绍了长玻纤增强热塑性复合材料在国内外的发展状况、成型工艺、性能特点、现有问题及解决办法，最后针对商用车轻量化的要求，提出采用长玻纤增强PP材料代替原铝合金走台板方案。

长玻纤；PP；走台板；轻量化

引言

随着汽车工业的快速发展，能源短缺、环境污染等问题随之而生。近年来，在油耗、排放和环保法规的驱动下，轻量化成为汽车领域发展的主流方向。汽车轻量化是指在汽车原有性能不降低的情况下，通过优化结构、采用新工艺或新技术、采用轻量化材料来降低汽车自重[1]。研究表明，商用车整备质量每减少1000kg，百公里油耗可降低6%~7%，此外，汽车整备质量降低，还可提高汽车动力性与操控性，节省材料，降低生产成本。

在工程塑料改性技术的研发过程中，“以塑代钢”已成为流行趋势，对于重卡车型，采用“以塑代钢”是实现轻量化最有效的途径之一，其中长玻纤增强热塑性复合材料（以下简称LGF）具有密度低、比强度高、比模量高、尺寸稳定性好、易回收等优点，可以弥补短玻纤材料的不足，进一步实现重量、成本的降低，近年来发展迅速，在汽车零部件上的应用越来越广泛。

LGF在汽车复合材料工业中是指以热塑性树脂为基体，以长度超过10mm的增强玻璃纤维为骨架而混合生产成的制品。

1 国内外发展及应用情况

LGF在汽车、航天、体育、家电、包装等领域广泛应用，其中汽车行业是LGF应用的主要领域，约占80%[2]。LGF最早在欧美投入使用，代替部分金属材料，应用在汽车前端模块、保险杠、仪表板、脚踏板、散热风扇、空调风扇等零部件，如图1。目前，在汽车行业，欧美 LGF 的消耗量仍占主要比例，LGF在欧洲品牌汽车的应用情况如表1[3-4]。

图1 LGF零部件

表1 LGF在欧洲品牌汽车中的应用

表2 LGF在商用车上的应用

LGF在我国起步较晚，目前，国内较多厂家已对LGF进行开发，如上海耀华大中新材料有限公司、广州金发科技股份有限公司、上海普利特复合材料股份有限公司、合肥杰事杰新材料股份有限公司等。LGF在商用车的应用情况如表2。

除此之外，LGF在重卡后视镜支架、雨刷、电池托架等其他零部件上都有应用。

2 成型工艺

目前，LGF复合材料有以下两种成型工艺[5-6]：

LGF-G成型工艺：先将长玻纤增强热塑性材料制成半成品（粒料或片材），再将该半成品经过注塑或模压成型为制品；

LGF-D成型工艺：在生产线上配好玻璃纤维、塑料及添加剂后，在线挤出糊状料连接注塑设备或模压设备直接生产制品。

其中LGF-D注塑成型工艺应用较为广泛，其原因如下：

（1）LGF-D成型为一步法生产工艺，制品中的纤维长度比LGF-G成型的纤维长，具有成本低、强度高、抗冲击性能高、注塑生产效率高等优点，广泛用于生产前端框架、座椅框架和保险杠内衬等高强度、复杂结构的功能类零件；

（2）模压型LGF片材的冲击强度较低，玻纤含量为30%左右的制品，其冲击强度一般不超过30KJ/m2，且受成型工艺限制，模压成型的LGF片材玻纤含量一般不能超过40%，其片材强度无法通过增加玻纤含量来进一步提高，因此注塑工艺的采用较为广泛[7]。

3 材料性能及优缺点

LGF材料具有强度高、抗冲击性能好、比模量高、耐腐蚀性优良、耐高温性能、绝缘性能和隔热保温性能良好、抗蠕变性和耐疲劳持久性好、磨损低的特点，在大气环境中可长期使用。LGF与其他材料相比具有以下优点[8]：

3.1 与短玻纤（SGF）材料相比

表3 PP+SGF30与PP+LGF30物性对比

LGF玻纤长度更长，排列更有规律，具有更强的刚度、比强度、耐蠕变性、耐疲劳性和稳定性。以PP+SGF30与PP+LGF30为例，其性能参数见表3，由表3可知，相同含量的玻纤增强聚丙烯，LGF的力学强度与SGF相比可提高30%左右，冲击强度可提高2倍左右，可作为SGF-PP 的代替材料，在同等强度下降低产品厚度，降低生产成本，实现轻量化。且LGF收缩率小，制品尺寸稳定性好，不会因吸水而影响其使用性能，可代替短玻纤增强尼龙类产品，在多种环境下长期使用。

3.2 与金属材料相比的差异

（1）LGF材料密度低，多数在2g/cm3以下，而钢的密度为7.8g/cm3，铝的密度为2.6g/cm3；

（2）LGF材料有非常高的比强度，较好的钢性、冲击性能、变形小等优点，合理选择树脂及玻纤含量可使其比强度比钢高2倍左右。可作为钢板或铝板的代替材料用于车身覆盖件或结构件；

（3）综合成本低。在原材料成本、材料回收率及加工设备等方面，LGF制件的成本与金属制件相比，均具有一定的价格优势。

3.3 与SMC材料相比差异[9]

（1）操作工艺环境良好，是一种绿色环保材料；

（2）可回收利用，原材料回收率较高，减少浪费，降低成本；

（3）强度及抗冲击性能较SMC材料高；

（4）材料成型性好，处理工序少，生产效率高。

3.4 材料的缺点及改进方向

3.4.1制品表面玻纤外露

LGF由于其玻纤含量较高、纤维较长，制品表面易出现浮纤现象，较难达到车身外部装饰件要求，因此一般用于骨架件、结构件或外观要求比较低的零部件。

3.4.2涂覆较困难

聚丙烯材料的综合性能良好，目前大部分热塑性复合材料均选择聚丙烯树脂为基体，但聚丙烯材料的非极性较高，表面能低，与油漆或涂料之间的层间附着力较小，涂覆较困难，容易脱落。

针对上述两点缺陷，可从以下几个方面进行改进：

（1）选择熔融指数较大的树脂，或者改进树脂配方，降低粘度，增加树脂对玻璃纤维的浸润性，减少玻纤外露现象，满足外观要求；

（2）采用腐蚀花纹的处理方式，掩饰表面问题，提高外观性能，如采用磨砂纹、皮纹、颗粒纹等[10]；

（3）采用胶黏剂使贴膜与外饰件贴合的方法，改善外观质量，在美化外观的同时降低表面处理成本。

4 应用

综上所述，LGF材料性能优异，因而我们计划将其应用在商用车走台板上。走台板是用于维修人员对车辆进行维修而提供支撑作用的平板，一般采用钢板或铝合金冲压成型。钢板质量较重，且容易生锈，目前走台板材料为铝合金，但铝板价格昂贵，根据产品要求及材料性能，我们推荐使用的材料有PA6+LFG40、PP+LGF40或PP+LGF50，其性能参数分别如表4：

表4 三种LGF物理性能参数

综合考虑各材料性能、成本等因素，最终选择PP+LGF40材料代替铝合金应用在商用车走台板上。通过粗略分析，LGF材料达到金属件的相同强度，相对于铝合金走台板在降成本的同时可以降重约10%，相对于钢板，可降重约40%，成本持平。目前产品正在试制中。

5 结语

LGF由于综合性能优异，成型周期短、生产效率高等优点，近十年来发展迅速，在某些方面可以取代重量较大的钢铁材料或价格较贵的铝合金材料。目前在我国整车配件上，复合材料的应用比例仅为8%~12%，远低于国外20~30%的比例。随着新工艺、新技术的不断推广，在汽车轻量化的推动下，LGF在汽车领域的应用将有巨大的前景。

[1] 郑宁来.长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料在汽车中的应用[J].纤维复合材料,2004,21(4),59.

[2] 蒋顶军,李茂彦,吴汾.长玻纤增强热塑性塑料的市场应用前景[J].玻璃纤维,2012,(5),40-44.

[3] 李彬,谢静雅,付丹.长玻纤增强PP材料在汽车上的应用[J].时代汽车,2017,(12),78-79.

[4] 方鲲,张国荣,吴丝竹,张立群等.长纤维增强热塑性复合材料在汽车零配件上的应用进展[J].中国塑料,2009,23(3),13-19.

[5] 戚亚光.车用纤维增强热塑性塑料技术进展[J].2011,23(2).60-63.

[6] 王泽庆,朱熠,腾腾.热塑性复合材料在商用车上的开发应用[J].汽车工艺与材料,2017,(5),12-17.

[7] 朱熠,腾腾,王泽庆.模压型热塑性复合材料在汽车上的应用研究[J].汽车工艺与材料,2015,(12),40-43,47.

[8] 贺光玉,向宇.先进复合材料在汽车工业中的应用[J].汽车零部件,2013,(5),86-92.

[9] 张彦庆.长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备与研究[D].上海:华东理工大学,2013.

[10] 尚洋,王晓婧.热塑性复合材料在汽车外饰件上的具体应用分析[J].时代汽车,2017,(9),95-96.

Application Research of LGF Composite Materials in Commercial Vehicles

Chen Rong, Jiang Yazhen, Bi Xiaomei, Ma Junfang

( Sinotruk Technology Research Institute, Shandong Jinan 250101 )

Long glass fiber reinforced thermoplastic composite（LGF）have the characteristics of low density, high specific strength and high recycling rate, which are of great significance to the development of lightweight vehicles. This paper introduces the development status, molding process, performance characteristics, existing problems and solutions of long glass fiber reinforced thermoplastic composites at home and abroad. Finally, in light of the requirements of commercial vehicle lightweighting, it is proposed to use long glass fiber reinforced PP materials to replace the existing platform which made of aluminum alloy.

Long glass fiber; PP; Platform; Lightweight

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.042

U465

A

1671-7988(2021)03-138-03

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陈荣，就职于中国重汽集团工艺研究院。