玻璃毡片增强型热塑料GMT材料开辟汽车应用领域

　 　 玻璃毡片增强型热塑料（GMT）﹑GMT纤维复合体具有高流动性能﹐使薄壁化的汽车元件的生产能实现低成本﹐这些元件的耐冲击性能﹑机械强度和硬度都得到提高。

在欧洲﹐由聚丙烯（PP）制成的玻璃毡片增强型热塑料（GMT）主要用在汽车工业中表面积大的元件中。在1999年﹐欧洲和全球分别加工量分别约为3.4万吨和6万吨。一半以上的GMT材料零件是噪音屏蔽﹑车前部和车内结构。

未来的轿车将越来越轻和便宜﹐而同时也要承受更严格的安全﹑舒适度和设计上的要求。这也就要求在高强度结构件中更多地利用聚合物和复合材料。在这个方面 GMT材料是一种重要的技术。现在的座椅﹑仪表板等都已是由GMT做成的。它们必须能够吸收相当的负荷和在碰撞时产生的一部分冲击能量。GMT不仅提供极佳的性能(模量﹑强度﹑抗冲击﹑密度等)﹐而且依靠流塑工艺﹐它能很容易被加工成复杂零件﹐这是它的一个优势﹐也使低成本﹑大批量地生产大表面积结构件成为可能。在过去的几年中﹐GMT已取得了许多的发展和进步﹐能够满足现在和将来的需要。

传统GMT的完善

通过流塑工艺进行GMT大型零件的经济性生产﹐要求具有极佳流动性的半成品材料。GMT的流动性是由聚合物基体的性质（粘度﹑结晶温度﹑热导性等）决定的﹐另外一方面是由纤维毡片的性质（纤维含量﹑纤维长度等）决定。改变这些参数以改进GMT的流动性﹐往往带来了其它特性。例如大幅减小PP的平均分子量或者纤维长度﹐那么对机械性能就会有不利的影响。

除此以外﹐当利用非最优化的配方时﹐也会对其它的重要性能产生不利影响﹐如粘合与涂漆的适宜度﹑耐热性和长期稳定性。

流动性是用挤压能来测量的。如改进PP基体﹐将挤压能从100％降低到53％是可能的。这里所用物是PP共聚物﹐它具有调整好的分子量和分子量分布。一个恰当的添加物系统也被用来改善流动性。通过改进玻璃纤维毡片﹐可以更多地降低挤压能﹐直到起始值的30％。

材料的流动性的显著改善没有引起任何机械性能的剧减。拉伸模量﹑拉伸强度﹑和冲击强度都保持与标准GMT的一样。拥有这些新型高流材料﹐就有可能制造更薄和更轻的零件。相应地﹐也可制造出相同的壁厚﹐所需的装模压力更小。噪音屏蔽零件的首次试生产表明﹐零件重量能降低30％﹐而不需要采用针对这个新型GMT产品的生产工艺参数。

智能型复合材料系统

GMT是以片材形式提供给成型厂家的。这意味着厂家能混用增强纤维或非织状增强物。玻璃/PP纤维混合物作为外层应用在传统的无规则玻璃GMT上。这种半成品能在标准GMT加工线上加工﹐就象加工标准GMT一样。通过提高镶嵌区域的硬度﹑强度和冲击强度﹐可改变织物的性质来适合应用。当利用传统的无规则玻璃GMT时﹐模具从半成品零件的中央起是填满的。

以标致（Peugeot）806汽车的保险杠为例﹐我们可以认为用这种材料可节省成本和减轻重量﹐只是半成品的价格略高。保险杠的中央部分是由GMTex制成的﹐而两边是由传统GMT制成的。拥有了这个材料概念﹐淘汰钢质的能量吸收器成为可能﹐并且整个系统的重量与老式的比要轻2kg。

综合利用GMT和织物的技术﹐实现批量生产的又一个应用是奥迪（Audi）A4的隔音装置﹐由聚酯增强型GMT制成的。这种合成物极易成形﹐同时表现出优良的冲击性能。这种材料特别适合于吸收在极差路面产生的震荡和冲击。而且遇到冲撞情况时﹐织物会将元件合在一起﹐因此不会有碎片出现。如所述的材料概念﹐织物结构会在零件表面产生条纹。尽管在一些设计情况下这是可接受的﹐但在大多数应用中必须进行后期处理。

因此一种不同的方法被采用﹐即用特殊表面的GMT层压在可视面上。利用这种类型的半加工零件或合成物﹐可以提高零件性能﹐如撞击表现﹑硬度和强度﹐并调整到应用要求。以后座门为例﹐我们可看到这种材料能够满足严格得多的冲击要求。

基础研究表明对于将来的后座门﹐将可能明显提高机械性能﹐同时保持相同的重量和半成品零件的成本﹐或者可能减轻重量和成本而维持原先的特性。对零件的更深入试验和研究确认了这些结果。所有的调查已经表明在传统的模具和加工线上能用这种材料﹐并在机械性能上有了明显和易于调整的改进。具有光滑边和筋条的模具也被填充而不会有任何问题。织物保存在横截面内﹐不会向表面迁移。

沃尔沃FH12型卡车仪表板在齐膝的高度使用芳族聚胺纤维织物作为增强物。这确保遇到事故时司机的脚会得到保护。这种复合材料的性能如硬度﹑冲击强度等是专门为这个特殊应用而设计的。现在的增强物是在一个独立工序中﹐通过注塑将织物密封在PP中﹐然后用GMT压塑而形成的。一项研究表明能直接在GMT上应用织物。削减工序步骤就能节约成本。当设计利用这些材料的零件时﹐有必要为性能的各向异性和厚度的相关性留出加工裕量。当加工这种材料时﹐部分的无规则纤维被挤出中间层﹐而填满了零件。这增加了镶嵌区的织物含量﹐导致此区域的机械性能提高。

结论和展望

GMT和由纤维增强塑料制成的板状半成品零件的潜力还远远没有发掘出来。新的材料概念层出不穷﹐使低成本﹑高产量地生产大面积结构件成为可能。这意味着已经可以得到大范围的热塑性﹑纤维增强型半成品﹐其性能多样。同时一些特殊产品﹐如着色GMT和天然纤维增强型塑料（NMT）也可获得。在不久的将来﹐大量传统的GMT应用必将被低成本的技术和材料所代替﹐如LFT（长纤增强塑料）。与标准GMT相比﹐LFT有其缺陷﹐特别在冲击强度方面。为能向潜在的LFT用户提供有竞争力的半成品﹐目前正在开发低成本的GMT产品﹐这将有助于降低零件成本。已经展开的开发工作包括类似轻质GMT和阻燃GMT的特殊产品﹐这就为GMT敞开了更大的应用领域。