王 敏， 胡仁其， 吳 謙

(1. 上海汽車集團股份有限公司乘用車公司， 上海 201804；2. 上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司, 上海 201714;3. 上海工程塑料功能化工程技術研究中心， 上海 201714)

0 前言

伴隨著汽車行業(yè)的全面發(fā)展，人們對于汽車性能的要求越來越高，國家對于汽車節(jié)能降耗和降低排放污染的要求也越來越嚴格。尤其是2016年底中國環(huán)境保護部頒布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》中明確了國六標準正式實施的時間，該標準被認為是迄今為止全球最嚴格的排放標準。面對如此大環(huán)境，汽車輕量化勢在必行。輕量化必須首先從改進汽車的材料出發(fā)，研制出性能更好、質量更輕的材料。新材料的應用并非簡單的質量減輕，而是在保證車身強度和安全性能的前提下，達到最大限度的減重，同時要保證汽車的制造成本控制在合理范圍內。

長玻璃纖維(LGF)材料具有力學性能高、抗沖性能好、低翹曲、耐蠕變和耐疲勞性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點[1]。長玻璃纖維增強聚丙烯(PP-LGF)材料更是由于其密度輕、不吸水、尺寸穩(wěn)定性好、成本低等諸多優(yōu)勢成為了LGF材料中應用前景最好的一類[2]。近年來國內PP-LGF材料取得了迅猛的發(fā)展，無論是在理論方面系統(tǒng)的研究，開發(fā)與生產，還是具體到汽車工業(yè)中的工程應用，都積累了大量寶貴的經驗。

1 PP-LGF在汽車輕量化中的發(fā)展歷程

1993年，隨著德國Hoechst Celanese公司對其商品Celstran的規(guī)?；a及市場開發(fā)，長纖維增強熱塑性塑料(LFT)材料逐步從理論設計及小批量生產預研階段跨入規(guī)?；瘧秒A段。在汽車輕量化的必然發(fā)展趨勢下，世界主流的汽車制造廠商都紛紛與各大原材料供應商展開合作，研究LGF材料以塑代鋼技術，挖掘汽車零部件應用的方向。汽車輕量化成為了助推LFT材料迅速發(fā)展的核心力量。據不完全統(tǒng)計，LFT材料80%以上的需求來自于汽車零部件，選材基本為PP-LGF材料[3-4]。應用部件主要集中在力學性能要求較高、外觀要求不高的部件，如前端模塊、儀表板骨架、門模塊、汽車車身底護板等。

在國內，部分科研高校及企事業(yè)單位如上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司(簡稱金發(fā)科技公司)、華東理工大學等均開展并完成了LFT材料的研發(fā)及工業(yè)化生產。其中，金發(fā)科技公司等率先完成了第三代熔體全浸漬法LFT材料生產工藝及專用設備的開發(fā)，達到國際先進水平。中國自主品牌汽車制造廠商也逐步完成了PP-LGF材料零件的應用開發(fā)。目前，中國自主品牌通過與國內外先進LFT材料供應商合作，形成了成熟的產業(yè)鏈，在產業(yè)化進程及應用開發(fā)層面取得長足進步。

2 PP-LGF材料在汽車領域的應用

PP-LGF材料由于其優(yōu)異的力學性能、耐蠕變及耐疲勞特性，可用于力學強度要求較高零部件。同時，通過耐熱改性，PP-LGF材料的耐熱穩(wěn)定性可以得到大幅提升，從而滿足發(fā)動機周邊零件的使用需求。近年來，隨著長纖維生產設備及工藝的不斷優(yōu)化，PP-LGF材料玻璃纖維的浸漬水平提高明顯，制件外觀優(yōu)良，可以滿足部分內外飾零件的要求。目前，汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢是模塊化平臺制造，通過將使用相似部件的公共架構模塊化地進行整合，提高了零部件通用率，簡化了生產制造與工藝裝配的流程，從而大幅降低了開發(fā)、驗證到生產的成本。PP-LGF材料由于其優(yōu)異的性能在模塊平臺化制造的趨勢中成為首選聚合物復合材料[5]，在眾多模塊的骨架件、結構件等均有大量應用。筆者總結了不同模塊中PP-LGF材料的典型應用。

2.1 前端模塊

前端模塊是汽車制造商集成優(yōu)化，模塊化生產思路的產物，而前端框架屬于前端模塊的核心部件，從設計方案上，前端框架經歷了金屬、混合(金屬+塑料)和全塑料(簡稱全塑)的發(fā)展歷程。與金屬前端框架相比，全塑前端框架集成度平均增加80%，其選材主要包括短玻璃纖維增強聚酰胺6(PA6)及PP-LGF。與前者相比，PP-LGF材料在零件中的玻璃纖維保留長度可以達到3 mm左右，較短纖維材料而言有數量級的提升。玻璃纖維與樹脂表面結合比表面積增加，同時在零件中形成三維網絡結構，提高了制品的力學性能及長期蠕變疲勞特性。此外，PP-LGF材料還具有尺寸穩(wěn)定性好，在潮濕環(huán)境中不吸水，密度輕等優(yōu)勢，成為前端框架材料的首選。表1給出了前端框架用PP-LGF材料的典型性能,其中:密度的測試條件為23 ℃;拉伸強度的測試條件為10 mm/min;拉伸模量的測試條件為1 mm/min;彎曲強度的測試條件為2 mm/min;彎曲模量的測試條件為2 mm/min;缺口沖擊強度的測試條件為23 ℃和-40 ℃。

PP-LGF全塑前端框架較金屬前端框架減重明顯，2002款寶馬Mini采用全塑PP-LGF前端框架方案，使得前端模塊完成了多達13個部件的集成[6]，包括：發(fā)動機罩鎖、制冷系統(tǒng)、風扇電機、風扇葉輪及其護罩、碰撞保護系統(tǒng)、霧燈、前照燈及其清潔系統(tǒng)、水箱、氣流沖壓閥板、喇叭、前格柵和前圍等，綜合減重質量分數達30%以上。全塑PP-LGF方案的采用，與鈑金組件系統(tǒng)相比，減少了部件，噪聲、振動與聲振粗糙度(NVH)性能得到改善；同時，前端框架位于前軸的前方，減重還對駕駛動力學及能耗產生顯著影響。

表1 主流前端框架PP-LGF材料的典型性能

目前，大眾、福特、寶馬、奔馳、日產、上汽、廣汽、吉利、江淮等主機廠均采用全塑前端框架，其中PP-LGF為主要選材。

2.2 車門模塊

車門模塊集成了門把手、玻璃升降機構、門鎖系統(tǒng)、音響等眾多部件。與前端模塊類似，門模塊經歷了玻璃升降器鋼導軌密封型的鋼結構，到塑料基板加玻璃升降器鋼導軌的混合結構，到最新一代的全塑門基板技術。全塑門基板將玻璃升降器導軌集成于之上，一體注塑成型，避免了二次裝配，工藝和成本都有了大幅縮減，同時零件質量實現(xiàn)20%～30%的下降。在上汽Marvel X車型門模塊中，通過采用玻璃纖維質量分數為30%的PP-LGF(簡稱PP-LGF30)全塑方案，集成了玻璃升降導軌、搖窗電機、揚聲器等多個部件，簡化了裝配流程，降低了整車裝配成本。VOLVO 的XC60、S60及S90車型，通過選用PP-LGF材料注塑車門模塊的門基板，將門基板與車門蒙皮完全密封，從而起到了很好的防潮及隔音降噪作用。吉利CMA平臺的CS11車型等也采用了類似設計。此外，PP-LGF材料還被廣泛應用于車門模塊的搖窗電機殼體：博澤公司為大眾MQB平臺提供的搖窗電機殼體即采用玻璃纖維質量分數為40%的PP-LGF(簡稱PP-LGF40)，尺寸穩(wěn)定性及力學性能優(yōu)良。

2.3 儀表板模塊

汽車儀表板總成是集成儀表、空調、安全氣囊及操控件等零部件的綜合平臺，是汽車內飾件中重要的功能件與裝飾件。儀表板骨架位于表皮下方，傳統(tǒng)儀表板骨架材料采用常規(guī)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材料方案與前兩個方案相比，材料強度更高，可以實現(xiàn)在相同強度要求下，壁厚設計更薄，同時還可實現(xiàn)部分集成功能，從而較好地減重。大眾選用PP-LGF材料注塑儀表板骨架，與傳統(tǒng)方案相比實現(xiàn)20%減重，同時模擬碰撞試驗表明，PP-LGF材料方案由于骨架本體強度及剛度更高，能量吸收要比傳統(tǒng)材料高50%。表2列出了儀表板骨架幾種典型材料的基本力學性能。

表2 儀表板骨架幾種典型材料的基本力學性能

目前，自主品牌上汽、吉利等均采用PP-LGF材料注塑成型儀表板骨架。長安及眾泰等主機廠還開展了微發(fā)泡PP-LGF材料儀表板骨架的研究，微發(fā)泡后的零件在保證力學性能高于原有常規(guī)填充PP方案的同時，較不發(fā)泡普通PP-LGF材料制件還可以實現(xiàn)進一步的減重達8%左右。上汽中心實驗室材料部門與金發(fā)科技公司也聯(lián)合進行了PP-LGF30物理發(fā)泡方案及PP-LGF20化學發(fā)泡方案的評估，對物理微發(fā)泡和化學微發(fā)泡適用零件進行了細分。試驗表明：PP-LGF微發(fā)泡方案尤其適用于一些力學性能及外觀要求均適中的零件。例如儀表板骨架在實現(xiàn)10%左右減重的同時，力學性能較PC/ABS及PP+EPDM-T20方案零件力學強度還會有明顯上升，具有較好的應用前景。

2.4 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)通過將車頭的冷空氣直接吹向散熱器，使得散熱器內的高溫防凍液得到冷卻，從而帶走熱量，起到發(fā)動機冷卻作用。護風圈是汽車發(fā)動機冷卻及空調熱交換系統(tǒng)上的一個重要支架零件，與前端框架類似，其上裝配有電機、風扇離合器及換熱風扇等零部件，因而也是一個承力性部件。傳統(tǒng)的汽車護風圈采用鈑金件，零件質量大，需要進行表面防腐處理等工序。目前，熱塑性材料已成為護風圈選材的主流，而PP-LGF材料由于其優(yōu)秀的力學性能、長期耐蠕變和耐疲勞性能成為了理想選材。由于護風圈的使用溫度較高，因而對于材料的長期耐熱氧老化能力要求較高。長纖維材料經過熱穩(wěn)定改性后完全滿足零件相關需求。表3列出了典型主機廠對于PP-LGF材料的熱氧老化要求。目前，馬自達、捷豹路虎、福特等汽車主機廠均采用了PP-LGF材料的護風圈方案，與短纖維增強聚酰胺材料的方案相比，可以減重15%～20%。

表3 典型主機廠PP-LGF材料熱氧老化要求

2.5 全塑尾門模塊

全塑尾門按照其使用材料經歷了三代發(fā)展：全熱固性塑料尾門方案，熱固性塑料內板加熱塑性塑料外板方案，以及最新的全熱塑性塑料尾門。由于在追尾碰撞中，汽車中后部起到主要吸能緩沖、抵抗變形功能的是后保險杠與C柱(兩開門)或者D柱(四開門)以及地板縱梁組成的尾部潰縮吸能區(qū)，因而尾門并不承擔主要吸能緩沖功能或防止駕駛艙變形功能。吳海京等[7]針對某型SUV做了高速追尾碰撞結構安全性研究表明，尾門所吸收的能量僅占2.8%，而在低速碰撞過程，主要通過尾部防撞梁及吸能盒的潰縮來吸收能量。JEYANTHI S等[8]通過實驗及有限元聯(lián)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較好表現(xiàn)。綜合來看，PP-LGF材料的全塑尾門方案完全可行。全塑尾門方案內板采用PP-LGF材料，外板采用低線性膨脹系數的PP材料或者熱塑性聚烯烴彈性體(TPO)方案。內外板使用涂膠工藝進行裝配。與玻璃鋼片狀模塑料(SMC)材料相比，PP-LGF材料剛度及強度相當，密度輕很多。同時PP-LGF方案相較玻璃鋼SMC材料的揮發(fā)性有機物(VOC)揮發(fā)物含量要低很多，符合當前汽車低VOC的發(fā)展趨勢。雷諾首先在其Clio車型上使用了全塑尾門方案，其中內板采用PP-LGF材料，整個尾門綜合減重較上一代達10%以上，同時材料可回收再利用。日產在其某車型中采用PP-LGF內板及TPO外板方案，與傳統(tǒng)金屬方案相比，減重約30%，同時燃油經濟性提高了10%[9]。目前上汽Marvel X采用PP-LGF內板方案的全塑尾門，與傳統(tǒng)金屬尾門相比，減重約30%。

金發(fā)科技公司等PP-LGF原材料供應商對PP-LGF全塑尾門內板方案，內外板黏膠、內板黏玻璃膠、金屬膠在常溫及高低溫循環(huán)過程中的性能表現(xiàn)都做了深入的研究。隨著減重需求的增加，未來PP-LGF在國內汽車市場的全塑尾門趨勢中應用潛力十分巨大。

2.6 其他部件

PP-LGF材料由于其優(yōu)秀的力學性能、長期耐蠕變和耐疲勞特性，在其他結構件中也應用廣泛。

偉巴斯特、英納法及恩坦華等天窗系統(tǒng)零部件制造廠商選用PP-LGF40或玻璃纖維質量分數為50%的PP-LGF (簡稱PP-LGF50)作為天窗前后橫梁選材，一方面，制件強度剛度得到保證，另一方面，長纖維材料優(yōu)異的抗翹曲性使得橫梁不易變形，尺寸穩(wěn)定。相對于金屬件方案，PP-LGF方案可以減重20%～30%。

排擋機構目前主要采用金屬材料及短纖維增強聚酰胺材料的方案，PP-LGF材料由于其不吸水的特性，可以減少高溫、高濕環(huán)境中零件失效的風險。同時，PP-LGF材料優(yōu)異的耐蠕變及耐疲勞特性也滿足排擋機構長期頻繁換擋工作，需要經受振動的要求。目前，吉利等自主品牌已經采用PP-LGF50作為排擋盒殼體的選材。

PP-LGF材料還被廣泛應用于汽車蓄電池托架中。通用、奔馳、上汽及吉利等主機廠采用PP-LGF40或PP-LGF50注塑成型蓄電池托架零件，材料強度及韌性高，制件壁厚較薄，易于固定安裝。與傳統(tǒng)金屬材料相比，PP-LGF材料可減重15%左右，且材料成本大幅降低。

在汽車外飾零件系統(tǒng)中，PP-LGF材料也作為結構件有所應用，例如：奔馳旗下的Smart品牌，通過PP-LGF40注塑成型行李架及緩沖器等零件，在保證了力學強度的同時，質量減輕明顯，綜合油耗下降1%左右。部分主機廠選用玻璃纖維質量分數為45%的PP-LGF(簡稱PP-LGF45)的方案代替短纖維增強聚酰胺方案注塑成型后視鏡支架，零件成本降低，減重達20%左右。

經過耐熱改性后的PP-LGF材料在發(fā)動機周邊也有著一定用武之地，例如：長安、東風、五菱等主機廠采用PP-LGF材料作為發(fā)動機罩蓋的選材，零件外觀良好，相較傳統(tǒng)短纖維增強及填充增強聚酰胺的方案，可以減重15%左右。奔馳采用PP-LGF材料作為發(fā)動機底護板，長纖維材料良好的韌性保護了發(fā)動機免受底盤刮擦的風險。同時，奔馳還引入微發(fā)泡注塑PP-LGF技術，可以實現(xiàn)進一步減重7%左右。

3 應用前景

伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是新能源汽車的發(fā)力，新能源汽車受限于其本身部件電池包的加入，因而質量會有大幅增加，輕量化技術的應用就顯得更為關鍵[10]，筆者展望了PP-LGF材料在未來汽車領域的前景。

3.1 儀表板橫梁

儀表板橫梁(CCB)是儀表板總成及其附件的關鍵承力部件，其傳統(tǒng)結構一般為一根橫置的金屬梁及焊接支架以承受各種電子、空調及轉向模塊[11]。目前，塑料與金屬的混合CCB方案也已經日益成熟。戴姆勒通過將帶有聚酰胺黏合劑模的鋁合金管放入模具中，注塑聚酰胺進行嵌件成型，得到了混合CCB。該工藝省去了多個樹脂零部件的單獨開模注塑問題，同時也省去了螺絲連接環(huán)節(jié)，簡化了工藝并降低了成本。奔馳A級率先采用了此技術。全塑CCB方案可以進一步做到大幅減重及工藝簡化。近年來，國內多個主機廠(如通用、吉利等)均開展了此方面的預研。PP-LGF50由于其較高的力學強度及尺寸穩(wěn)定性成為理想選材。

3.2 電池包上蓋

目前，新能源汽車在國內發(fā)展火熱，眾多新能源汽車制造廠商如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。各大傳統(tǒng)汽車主機廠也都制定了自己的新能源發(fā)展戰(zhàn)略。電池包作為新能源汽車的核心能量源，為整車提供驅動電能，它通過殼體包絡形成電池包主體。電池包殼體作為電池模塊的承載體，對整個模塊的安全工作和防護都起到至關重要的作用。采用PP-LGF阻燃材料成型電池包上蓋，可以滿足UL94 1.6 mm V-0等級要求[12]，同時制件表面良好無浮纖，蓋板翹曲變形也很小。相比于傳統(tǒng)金屬電池包，PP-LGF阻燃材料方案在集成性、電磁屏蔽、絕緣及防水性方面均有優(yōu)勢。與SMC玻璃鋼方案相比，PP-LGF阻燃材料方案制件壁厚相當，為3.0～3.2 mm，并可進一步減重10%～20%，成型效率高，同時還具有易回收等優(yōu)勢。吳德順[13]分別設計了金屬材料及PP-LGF材料電池包方案，并完成了靜強度分析，結果表明，PP-LGF方案可以實現(xiàn)減重80%，同時不同工況下的最大應力還可降低55%～60%。

4 結語

伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，政府對于汽車的排放也有著越來越嚴苛的要求，汽車輕量化迫在眉睫?！冻擞密嚻髽I(yè)平均燃料消耗量核算辦法》中已經明確提出：到2020年，當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/(102km)。未來，汽車零件將會更多地采用模塊化、高度集成化的思路進行開發(fā)設計[14-15]。因而，對于各大汽車制造廠商來說，要想完成如前所述的發(fā)展目標，PP-LGF材料在前端模塊、門模塊及全塑尾門模塊等部件中積累的大量寶貴經驗可以完全應用到其他部件中去，從而有效地實現(xiàn)減重，并減少裝配工藝，從而達到降本降耗。同時，PP-LGF材料生產工藝的靈活性也使得很多鈑金所不能實現(xiàn)的形狀及結構得以實現(xiàn)，給結構設計及造型設計帶來了很大的自由度。在輕量化的同時，汽車的可靠性、安全性、舒適性也是必須要滿足的；因而各大汽車主機廠還需要與原材料供應商更加緊密地合作，進一步挖掘PP-LGF材料的潛能。未來PP-LGF材料開發(fā)與應用的發(fā)展方向為：

(1) 專門針對PP-LGF材料聯(lián)合仿真分析手段的開發(fā)。PP-LGF材料由于其玻璃纖維取向的各向異性，難以做到仿真分析的準確性[16]，需要建立更為準確及完善的分析模型以滿足PP-LGF新零件的開發(fā)。

(2) 優(yōu)良外觀PP-LGF材料的開發(fā)。未來隨著更多零件的一體化設計，對于PP-LGF零件的外觀要求也會越來越高，需要開發(fā)外觀更好的PP-LGF材料。

(3) 阻燃PP-LGF材料的開發(fā)。隨著新能源汽車的大力發(fā)展，會有更多零件尤其是電池包周邊零件會提出更高等級阻燃的要求，需要持續(xù)開發(fā)阻燃級別更高的PP-LGF材料，尤其是無鹵阻燃材料。

(4) 低散發(fā)特性PP-LGF材料的開發(fā)。隨著汽車乘客艙零件越來越多地采用PP-LGF材料方案，針對PP-LGF材料的低散發(fā)特性要求也會越來越高。

伴隨著國內汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，PP-LGF將在未來的汽車領域大展身手，應用前景廣闊。