長玻纖增強復合材料在汽車輕量化上的應用
在汽車輕量化發展趨勢下，“以塑代鋼”成為汽車輕量化的主流途徑，充分利用LGF線性膨脹系數低、比強度高、比模量高、穩定性好等優勢特點，將其應用于汽車輕量化結構之中，能夠較好地降低汽車自重，提高汽車的動力性與可操控性，減少能耗，提高續航里程。
01長玻纖增強復合材料的性能分析
1.1阻燃PP-LGF材料
長玻纖增強聚丙烯（PP-LGF）材料力學性能優良，尺寸穩定性好，廣泛應用于各個工業領域，并可賦予膨脹性阻燃和協效阻燃性能。該類材料主要有氮磷系和溴系兩種不同的阻燃類別。
其中，氮磷系利用阻燃劑所產生的多孔膨脹炭層覆蓋于基體樹脂PP表面，通過該炭層的阻隔性起到隔熱隔氧的作用，改善膨脹炭層的強度和耐熱性，能夠較好地延緩基體樹脂的分解和氧化反應的產生，提高阻燃復合體系的阻燃性能，從而達到對基體樹脂的阻燃效果。溴系阻燃主要是利用溴－銻協同效應發揮阻燃作用，在受熱分解過程中生成燃燒惰性物質，使燃燒減緩或中止。
此外，其產生的HBr密度較大，能夠稀釋空氣中的氧，且難燃，能夠覆蓋材料表面起到阻隔空氣的作用，降低材料燃燒速度或自熄。目前部分典型應用的阻燃PP-LGF材料性能，如表1所示。
由表1得知，阻燃PP-LGF材料在保持較好協效阻燃效果的同時，還能夠具有一定的拉伸、彎曲、缺口沖擊強度等力學性能。
1.2 PA66-LGF材料
PA66-LGF材料是一種高耐溫、高強度、高模量、韌性優良的增強材料。其中，PA66-LGF30中含有30%的長玻璃纖維填充物，PA66-LGF25含有25%的長玻璃纖維填充物，外觀形態為顆粒料，較好地增強該材料的力學強度和尺寸穩定性，體現出較高的抗撞擊性。目前典型應用的PA66-LGF材料性能，如表2所示。
02長玻纖增強復合材料在汽車輕量化的應用
LGF在汽車、航天、體育、家電、包裝等領域廣泛應用，其中汽車行業是LGF應用的主要領域，約占80%。
2.1 汽車車輪
尼龍長玻纖是一種耐高溫自潤滑增強材料，能夠較好地承受中高載荷。作為一種長纖維增強和潤滑的完美結合材料，它能夠在130℃的溫度條件下使用。該材料的通用性良好，適用于干運行，主要用于旋轉、滑動運動，具有極強的抗塵能力，且免于維護保養。
在汽車輕量化設計開發中，長玻纖增強尼龍66材料能夠較好地應用于汽車車輪構件中，通過注塑工藝制備出復合材料平板和乘用車車輪。其中，復合材料平板的具體制備方法為：將粒料置于100℃進行烘干，4小時后進行注塑處理，設定注塑成型工藝參數，包括螺桿溫度、螺桿壓力、注塑壓力、注塑時間、背壓、冷卻時間、模溫等，在注塑完成后，將平板置于空氣中冷卻至室溫。
復合材料車輪的制備方法為：將粒料置于100℃進行烘干，4h后進行注塑處理，設定注塑參數，包括熱流道溫度、注塑壓力、注塑時間、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間、模溫等，最終注塑生成15寸復合材料車輪。采用相關方法測試分析得知平板和車輪的玻纖含量、玻纖長度、玻纖取向及其分布，并通過車輪徑向疲勞試驗獲悉復合材料車輪的耐疲勞性能。
2.2 發動機罩蓋
考慮到長玻纖增強聚丙烯PP-LGF具有較高的比強度、比模量和抗沖擊性，可以將其應用于汽車發動機罩蓋構件中，通過模具結構優化和工藝調整，制造出滿足外觀要求和性能要求的零件，達到汽車輕量化應用需求，最大程度降低成本。
結合汽車發動機罩蓋使用要求，選取PP-LGF30材料，通過試制及性能驗證得知，該材料的拉伸應力、彎曲模量、缺口沖擊強度、熱變形溫度較為符合發動機罩蓋的性能要求。為優化PP-LGF30的產品外觀，要對模具和工藝進行適當調整，如在熔膠的流動末端開設排氣孔，解決零件困難的問題。同時，增加模溫機，將模具溫度控制在80℃。
2.3 前端模塊
在汽車輕量化設計開發過程中，基于長玻纖增強聚丙烯材料的優異力學性能，可以將其應用于汽車前端框架之中，合理引入結構拓撲優化、尺寸優化等技術，基于改性PP-LGF材料開發的前提，優化選擇配方原料，進行實驗料研制檢測和配方工藝設計。
具體包括：
①原材料檢驗。主要檢測材料的外觀標準、含水率、黑粒數、熔體流動速率等；
②過程控制。主要進行在線灰分檢測，每2h檢驗1次；
③產成品檢驗。主要對產品的外觀、顏色、灼燒灰分、密度、熔融溫度、彎曲強度、彎曲模量、缺口沖擊、沖擊強度進行檢測檢驗。
2.4 前艙蓋
在汽車輕量化設計之中，“以塑代鋼”理念逐步被認同，汽車前艙蓋也采用質量更輕、性能更優的長玻纖增強塑性復合材料，較好地減輕汽車重量，達到節能減排的要求。
在對汽車前艙蓋結構改進與優化的過程中，采用長玻纖增強復合材料替代原前艙蓋的金屬材料，結合該材料的力學性能，采用等代設計法對前艙蓋結構進行替換，充分考慮材料的彈性模量、泊松比、薄壁厚度等影響因素，得知前艙蓋的初步厚度，并對前艙蓋結構進行適當改進，如在內板處設計沉臺、十字筋等加強結構；內板下邊緣處開小孔；采用高粘連連接方式進行前艙蓋總成的裝配；利用粘接側密封條結構簡化前艙側面的分縫斷面結構等。
2.5 儀表板骨架
作為一種輕質高強的復合塑性材料，長玻纖增強聚丙烯材料能夠應用于汽車儀表板骨架中，利用其優良的力學性能、良好的環境適應性等優點，通過熔融浸漬法制備生成長玻纖增強聚丙烯材料，適用于對汽車結構性能要求較高的零部件如儀表板。儀表板是汽車內飾中的重要部件，要求具有較高的強度和剛性。
為了降低汽車儀表板的骨架重量，促進汽車內飾輕量化。應選用強度更高、彎曲模量更優、流動性更好的PP-LGF材料，在相同強度下適當減薄儀表板設計厚度，使汽車儀表板減重約20%，并將傳統的多個部件儀表盤托架發展為單個模塊，除霜風道本體、中間骨架外通常采用同一種材料，較好地達到輕量化要求。
2.6 蓄電池托盤
長玻纖增強復合材料可以采用注塑成型工藝制備出形狀復雜的零部件，在汽車蓄電池托盤輕量化的要求下，為了降低汽車振動噪聲、減少蓄電池托盤腐蝕，選擇具有更優使用性能的PP-LGF40材料，將其注塑成結構復雜和壁厚較薄的零件，并采用加強筋進行零件結構設計，作業過程中應對拐角結合處進行倒角優化，減少應力集中，達到蓄電池托盤所需的剛度要求。
同時，考慮到塑料蓄電池托盤的安裝孔和側向壓邊處的應力高于其他部位，對此要適當加厚安裝孔的壁厚，并在安裝孔周邊設置貫穿到托盤平面的加強筋，提高安裝孔部位的強度和剛度。
此外，為了有效增強蓄電池托盤側立面的剛性，要設置側向及周邊2mm翻邊，并在托盤背面設置“井”字型加強筋，同時要關注加強筋對制件整體的變形影響，提前做好預變形，在滿足裝配要求的前提下有效提高蓄電池托盤的整體平面剛性，滿足汽車輕量化使用要求。
2.7 尾門
汽車塑料尾門可以采用兼具低密度和高強度特性的長玻纖增強聚丙烯熱塑性復合材料，明顯降低整車油耗和CO2排放，體現出較高的集成度和復原性。在PP-LGF塑料尾門的設計中，塑料尾門的內外板采用注塑工藝，內外板之間采用膠粘合工藝，并進行仿真分析，以獲得最佳控制效果。
在塑料尾門的結構設計中，尾門內板主要承受荷載并提供強度支持，應在尾門內板上部和尾門內板的D柱區域布設適宜數量的加強筋，達到優化結構的目的。
在實際選材時，需根據實際使用場景，尤其在冷熱交變的情況下，充分考慮內外板材料的線性膨脹系數的匹配性，否則極易因熱脹冷縮導致膠粘部位脫膠或變形。
2.8 翼子板
利用相關試驗線及成型裝備，制備生成具有一定比例玻璃纖維質量分數的PP-LGF粒料，并將其應用于汽車翼子板結構之中。在將該材料應用于汽車翼子板的過程中，要充分考慮玻纖含量對力學性能拉伸、彎曲、沖擊的影響，對其進行性能檢測。
同時，可測試其非力學性能，包括檢測翼子板的耐高溫性、耐冷熱交變性、耐沖擊性、耐濕熱性、耐水性、耐溶劑性等，觀察有無變形、開裂、粉化、氣泡、發粘、溶解等情形。測試之后，對翼子板制件進行裝配，使之能夠更好地適應不同應用場景的使用要求。
03結束語
綜上所述，長玻纖增強復合材料是一種高強度、輕質的復合材料，在“以塑代鋼”的背景下，長玻纖增強復合材料體現出自身的性能優勢，較好地應用于汽車輕量化結構設計之中。
可以采用適宜方法制備生成各種汽車零件，包括車輪、發動機罩蓋、前端模塊、前艙蓋、儀表板骨架、蓄電池托盤、尾門、翼子板等，利用先進制備技術、零件設計和成型技術，較好地推動汽車輕量化的快速發展。
資料來源：方瑞《長玻纖增強復合材料在汽車輕量化上的應用》，《模具制造》,2025年.01期、網絡等
