汽车用LFT材料沿革及技术发展

    十五多年来,长纤维增强热塑性材料(LFT)一直在汽车工业中用在半结构应用领域。它们的主要优点是诱人的成本/性能比和相对较低的密度。欧洲ELV(end of life vehicle)立法推动了这种材料的发展,该立法促进了再循环,因而也促进了热塑性材料对热固性材料的取代。      
    汽车工业一直是新材料、新工艺、新设计和新组装概念的推动者。目前的一些进展包括:        
    ◆ 改善的安全性(安全气囊系统、传感器、电子控制元件)
    ◆ 舒适度(驾驶/通讯系统、娱乐、内部噪音减轻)
    ◆ 环境的可持续性(较低的燃料消耗、较低的排放、轻质)(重要的)
    ◆ 总系统成本的降低         
    这些发展所带来的挑战必然要由原始设备制造商(OEM)和及其供应商来解决。要减轻重量但不影响所列出的优点,这就需要开发新的低密度材料。至少,不同轻质材料例如镁、铝和复合材料(对每一个特殊部件来说都是合适的)的化合必须在成本可接受的基础上实现重量减轻。另外,除了适宜的连接和组装技术,还需要开发“多材料”汽车的新概念和新设计。这种新兴的多材料概念需要大量的研究。

    使新的轻质材料成功应用的两个因素是它的可加工性和成本/性能比。LFT材料已经显示了它们的优点,工艺技术的持续改进使它们保持着巨大的吸引力和竞争力。本文介绍了LFT技术的发展状况,重点是直接/在线配混(LFT-D/ILC)技术,并介绍了新开发的“特制LFT”工艺。        
    技术发展水平      
    复合材料的机械特性与增强用纤维的长度有关,因此长宽比(纤维长度和直径之比)代表着增强性能的高低。使用普通的直径为10~20微米的纤维,长宽比100所对应的纤维长度为1~2毫米。“长”纤维的定义是比较含糊的,通常取决于成型工艺。注射成型后部件中大约2毫米长的纤维被认为是长纤维。在标准注射成型工艺中,所得纤维平均长度小于1毫米,然而,在LFT注射成型中,部件中可以得到平均2~3毫米的“长”纤维。在挤压成型中,可以得到的长宽比为1000或更高的纤维。
    随着加工工艺的不同,LFT的纤维长度也不同。冲击性能尤其依赖于纤维长度,因此就机械性能而言,压缩成型工艺显著优于注射成型。通常,部件中大约平均5~20毫米长的纤维被认为是长纤维(见表1)。       
    LFT部件的生产始于20世纪80年代末玻璃毡增强热塑性材料(GMT)的加工。GMT半成品在压缩成型工艺中易于处理。然而,所能达到部件特性受限于它们对不同半成品的依赖。GMT的应用包括仪表盘托架、车身底板和前端。       
    这些半成品材料是作为毛坯材料的。该毛坯被切成由部件终形状预先决定的形状,在适当的烘箱中加热后,堆叠在一起,(然后在很多情况下)通过处理机械手自动传送到液压机中压塑为成品。        
    长纤维小球(LFT-G)工艺也代表着技术发展的水平。这些半成品是作为基体聚合物预浸的大量纤维被提供的。为避免破坏纤维,这些纤维小球在单螺杆挤塑机中逐渐塑化。所得到的成型材料使用压缩成型工艺制成部件。在注射成型工艺中加工LFT小球也代表着技术发展的水平,尽管部件中所得到的纤维长度明显短于压缩成型工艺得到的。从而导致冲击性能和强度特性较低。
    过去几年,称为直接LFT工艺(LFT-D)的工艺在欧洲得到认可,半成品步骤被去除,部件直接从组分――玻璃纤维、聚合物和(如有必要)添加剂直接生产。就材料而言,直接工艺大大节约了成本。
    新型工艺例如Dieffenbacher的基体聚合物在线配混LFT直接工艺(LFT-D/ILC)在材料选择上更加灵活。在LFT-D/ILC技术中,基体聚合物在加工过程中直接调节到终部件的要求,也就是说使用添加剂。添加剂影响着部件的机械和特殊应用材料的特性,如热稳定性、着色性、紫外稳定性和纤维/基体粘结特性。这意味着每一种特殊应用都可以具有独特的材料配方。
    图1比较了不同的技术。      

   
    热塑性材料相对于热固性材料有几大优点(表2)。高产率、功能集成和系统成本降低是LFT的主要优点。因此,LFT的年增长率达到了8%。