浅谈汽车用玻璃钢/复合材料的制造工艺
时间：2020-12-29 12:01:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘要]： 玻璃钢是一种轻质高强的材料，是汽车轻量化中不可替代的材料之一。本文从玻璃钢的名称起源说起，系统的介绍了玻璃钢材料的组成、性能优缺点及常见的制造工艺。本文能使读者对玻璃钢材料有个初步系统的认识，为工程师们在以后的产品设计材料选择上提供参考。
[关键词]： 玻璃钢 复合材料 制造工艺
中图分类号：TQ327.1文献标识码：TQ文章编号：1009-914X（2012）32- 0579 -01
1、玻璃钢简介
玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Plastic，FRP）。它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。由于其强度相当于钢材，又含有玻璃组分，也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能，像玻璃那样，历史上形成了这个通俗易懂的名称“玻璃钢”，这个名词是由原国家建筑材料工业部部长赖际发同志于1958 年提出的，由建材系统扩至全国，现在还普遍地采用着。考虑到历史的由来和发展，通常采用玻璃钢/复合材料，这个名称就较全面了。
2、玻璃钢的特点
2.1轻质高强是玻璃钢材料的最大优点
玻璃钢的密度在1.5～2.0g/cc之间，只有碳钢密度1/4～1/5。在等刚度设计条件下比钢板、铝材减轻25～15%。
2.2耐腐蚀性能好
玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。
2.3耐冲击、耐撞击性能好
由于玻璃钢材料为非均质材料，其吸收冲击能量的性能较好，当汽车发生碰撞时，可避免或减少对人体的伤害。SMC零件吸收的撞击能为钢的5倍（按重量为基）。
2.4降噪性能好
振动衰减性能优于金属，降低噪音的效果较好。
2.5电性能好
玻璃钢（碳纤维增强复合材料除外）是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。
2.6玻璃钢材料同样也存在一些缺点
2.6.1弹性模量低
玻璃钢的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×106）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。但可以在设计时做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。
2.6.2长期耐温性差
一般玻璃钢材料不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降。但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200～300℃是可能的。
2.6.3老化现象
老化现象是塑料的共同缺陷，玻璃钢材料也不例外，在紫外线、风纱雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。
3、汽车用玻璃钢/复合材料的制造工艺
3.1手糊成型工艺
手糊成型工艺（Hand Lay-up Molding）是一种简单成熟的成型工艺，其典型工艺过程是：在涂有脱模剂的模具上，将加有固化剂的树脂混合料和玻璃纤维织物手工逐层铺放，浸胶并排除气泡，层合至确定厚度，然后在常温下固化形成制件。
手糊工艺的缺点是：制品质量不易控制，人为因素大；产品只能做到单面光滑；制品的强度和尺寸精度较低；劳动条件差，生产效率低，因此对于大批量车型的产品不太适合。
3.2喷射成型工艺
喷射成型工艺（Spray Up Molding）是手糊成型的改进，属于半机械化成型工艺。它是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯树脂分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤无捻粗纱由喷枪中心喷出，使其与树脂在空间均匀混合，沉积到模具上；当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，再经常温固化后成型为制品。喷射成型工艺是在手糊成型工艺的基础上发展起来的。由于该工艺是借助于机械的手工操作工艺，因此也被称为“半机械手糊成型工艺” 。
3.3 RTM成型工艺
树脂传递模塑（Resin Transfer Molding，RTM）是以手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术，该技术始于1950年代，是从湿法铺层手糊成型工艺和注塑成型工艺中衍生出来的一种新的闭模成型工艺。它的基本原理是将玻璃纤维增强材料（包括螺栓、螺帽或聚氨酯泡沫塑料等嵌件）放到封闭的模腔内，再将配好的树脂胶液在一定的温度和压力下，从设置于适当位置的注入孔处注入模腔，浸透玻纤增强材料，然后固化，脱模后得到两面光滑的制品。
RTM缺点是：双面模具的费用较高；预成型坯加工生产设备的投资大；对原材料（树脂和玻纤材料）和模具质量的要求高，以及对模具中的设置与工艺要求严格等。目前，对RTM成型工艺的研究和推广不断取得新的进展，主要研究方向集中在：微机控制注射机组、增强材料预成型技术、低成本模具、快速树脂固化体系及工艺稳定性和适应性等方面，涌现出了一系列改良的RTM成型工艺，如 Lite-RTM、VARTM、VIP和TERTM等。
3.4 LFT-D成型工艺技术
LFT-D成型工艺（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct）是继GMT和LFT-G之后又一种新的长纤维增强热塑性复合材料工艺技术，是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术，它区别于GMT和LFT-G的关键因素是半成品步骤被省去了，而在材料的选择上更加灵活，是近年来在汽车复合材料行业中最受关注和市场成长最快的一种崭新的成型工艺技术。在LFT-D技术中，不仅纤维的含量和纤维的长度可以直接调节到最终部件的要求，其基体聚合物也可以直接调节到最终部件的要求。通过使用不同的添加剂可以改变和影响制品的机械和特殊应用特性，如热稳定性、着色性、紫外稳定性和纤维与基体的粘结特性等，这也意味着每一种特殊应用都可以通过LFT-D获得其独特的材料配方。
LFT-D的典型工艺流程是，将聚合物基体颗粒（主要是PP）和添加剂输送到重力混合计量单元中，根据部件的机械性能要求进行材料的混配。经混配好的原料再被送入双螺杆挤出机中进行塑化，熔融的混合物通过一个薄膜模头形成类似瀑布的聚合物薄膜，该聚合物薄膜直接被送入到双螺杆混炼挤塑机的开口处。此时，玻璃纤维粗纱通过特别设计的粗纱架，在经过预热、分散等程序后被引入到聚合物薄膜的顶端与薄膜汇合一同进入到双螺杆挤塑机中，由螺杆切割粗纱，并把它们柔和地混合到预熔的聚合物当中，然后直接送入压制模具中成型或者推压进注射模具成型。
3.5拉挤成型工艺
拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化、连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。这种工艺最适于生产各种相同断面形状的玻璃钢型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片等）等。
拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；拉挤成型制品中纤维含量可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度可任意调整可以满足不同力学性能制品的使用要求；生产过程中无边角废料，产品不需后加工，故较其它工艺省工，省原料，省能耗；制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。
拉挤成型工艺的缺点是：产品形状单调，只能生产线形型材，而且横向强度不高。但近年来使用纤维布和复合毡拉挤后横向强度得到了提高。
4、结束语
从上述汽车玻璃钢/复合材料成型工艺技术的初步介绍中，可以看到每一种工艺技术均有其自身的特点。汽车玻璃钢/复合材料企业在选择确定采用何种工艺技术方法时，需根据企业的基本情况以及汽车主机厂对零部件的具体技术要求，如产品的批量及其质量要求，以及企业的技术基础和生产资金情况等因素进行综合考虑。
参考文献
[1]《工程材料实用手册》编辑委员会. 工程材料实用手册·第6卷. 中国标准出版社. 2002
作者简介：
盛先志，男，出生与1978年8月，2002年7月毕业于安徽农业大学，主修专业汽车与拖拉机，本科，现在江淮汽车技术中心车身部任内外饰设计主管，主要从事内外饰产品设计方面的研究。
