汽車用LFT材料沿革及技術發展

    十五多年來,長纖維增強熱塑性材料(LFT)一直在汽車工業中用在半結構應用領域。它們的主要優點是誘人的成本/性能比和相對較低的密度。歐洲ELV(end of life vehicle)立法推動了這種材料的發展,該立法促進了再循環,因而也促進了熱塑性材料對熱固性材料的取代。      
    汽車工業一直是新材料、新工藝、新設計和新組裝概念的推動者。目前的一些進展包括:        
    ◆ 改善的安全性(安全氣囊系統、傳感器、電子控制元件)
    ◆ 舒適度(駕駛/通訊系統、娛樂、內部噪音減輕)
    ◆ 環境的可持續性(較低的燃料消耗、較低的排放、輕質)(重要的)
    ◆ 總系統成本的降低         
    這些發展所帶來的挑戰必然要由原始設備制造商(OEM)和及其供應商來解決。要減輕重量但不影響所列出的優點,這就需要開發新的低密度材料。至少,不同輕質材料例如鎂、鋁和復合材料(對每一個特殊部件來說都是合適的)的化合必須在成本可接受的基礎上實現重量減輕。另外,除了適宜的連接和組裝技術,還需要開發“多材料”汽車的新概念和新設計。這種新興的多材料概念需要大量的研究。

    使新的輕質材料成功應用的兩個因素是它的可加工性和成本/性能比。LFT材料已經顯示了它們的優點,工藝技術的持續改進使它們保持著巨大的吸引力和競爭力。本文介紹了LFT技術的發展狀況,重點是直接/在線配混(LFT-D/ILC)技術,并介紹了新開發的“特制LFT”工藝。        
    技術發展水平      
    復合材料的機械特性與增強用纖維的長度有關,因此長寬比(纖維長度和直徑之比)代表著增強性能的高低。使用普通的直徑為10~20微米的纖維,長寬比100所對應的纖維長度為1~2毫米。“長”纖維的定義是比較含糊的,通常取決于成型工藝。注射成型后部件中大約2毫米長的纖維被認為是長纖維。在標準注射成型工藝中,所得纖維平均長度小于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“長”纖維。在擠壓成型中,可以得到的長寬比為1000或更高的纖維。
    隨著加工工藝的不同,LFT的纖維長度也不同。沖擊性能尤其依賴于纖維長度,因此就機械性能而言,壓縮成型工藝顯著優于注射成型。通常,部件中大約平均5~20毫米長的纖維被認為是長纖維(見表1)。       
    LFT部件的生產始于20世紀80年代末玻璃氈增強熱塑性材料(GMT)的加工。GMT半成品在壓縮成型工藝中易于處理。然而,所能達到部件特性受限于它們對不同半成品的依賴。GMT的應用包括儀表盤托架、車身底板和前端。       
    這些半成品材料是作為毛坯材料的。該毛坯被切成由部件終形狀預先決定的形狀,在適當的烘箱中加熱后,堆疊在一起,(然后在很多情況下)通過處理機械手自動傳送到液壓機中壓塑為成品。        
    長纖維小球(LFT-G)工藝也代表著技術發展的水平。這些半成品是作為基體聚合物預浸的大量纖維被提供的。為避免破壞纖維,這些纖維小球在單螺桿擠塑機中逐漸塑化。所得到的成型材料使用壓縮成型工藝制成部件。在注射成型工藝中加工LFT小球也代表著技術發展的水平,盡管部件中所得到的纖維長度明顯短于壓縮成型工藝得到的。從而導致沖擊性能和強度特性較低。
    過去幾年,稱為直接LFT工藝(LFT-D)的工藝在歐洲得到認可,半成品步驟被去除,部件直接從組分――玻璃纖維、聚合物和(如有必要)添加劑直接生產。就材料而言,直接工藝大大節約了成本。
    新型工藝例如Dieffenbacher的基體聚合物在線配混LFT直接工藝(LFT-D/ILC)在材料選擇上更加靈活。在LFT-D/ILC技術中,基體聚合物在加工過程中直接調節到終部件的要求,也就是說使用添加劑。添加劑影響著部件的機械和特殊應用材料的特性,如熱穩定性、著色性、紫外穩定性和纖維/基體粘結特性。這意味著每一種特殊應用都可以具有獨特的材料配方。
    圖1比較了不同的技術。      

   
    熱塑性材料相對于熱固性材料有幾大優點(表2)。高產率、功能集成和系統成本降低是LFT的主要優點。因此,LFT的年增長率達到了8%。