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1、轻质热塑性复合片材的性能与制品成型1 前 言所谓轻质热塑性复合片材，是指这种材料的密度非常低，其面密度在6002000g/m2之间，而体积密度可以根据需要在0.30.8kg/m3之间调节。与之相比，传统的片材不论是用干法还是湿法生产的，其面密度一般在40005500g/m2之间，体积密度为1.11.3kg/m3。可见，在相同面积或体积下，前者的重量要轻5080%以上。这在汽车领域非常重要，因为他们要面对越来越严格的燃油消耗指标。与此同时，轻质热塑性复合片材仍然具有一些传统热塑性复合片材的优点，例如预浸料稳定，无存放时限，且无特殊的存放要求；韧性高，有良好的抗冲击性能；优良的抗化学腐蚀性和环境适
2、应性；边角料、报废部件可回收、重新利用，不污染环境等。密度大幅度降低，蕴藏着更多材料特性的改变，赋予了轻质热塑性复合片材许多独特的优点及功能，而这些往往是传统热塑性复合片材所不具备的。2 轻质热塑性复合片材的力学性能表1是面密度为1000 g/m2的轻质热塑性复合片材模压到不同厚度时的力学性能。由图可见，虽然密度大幅度降低不可避免地会影响材料的力学性能，但是材料的比强度与比模量却有所增加，所以我们可以通过调节厚度来控制材料的体积密度，获得预期性能，反而增加了制品设计自由度。表1 轻质热塑性复合片材的力学性能厚度（mm）2.03.04.0相对密度0.50.330.25玻纤含量（）505050面密
3、度（g/m2）100010001000拉伸强度（MPa）11.817.303.01拉伸模量（MPa）1452914232弯曲强度（MPa）20.8716.443.34弯曲模量（MPa）1361932187缺口冲击强度（J/m）230216913 轻质热塑性复合片材的物理性能3.1A级表面前面已经提到过，在轻质片材生产中，可以有选择地在片材的表面附加一层功能材料，整个片材的性能其实是玻纤、树脂、表面材料共同作用的体现。例如QPC现在正在研究通过附加上过漆的铝帛来制造车顶，Azdel则正在试图在片材表面附加GE先进材料公司的Lexan SLXPC共混物薄膜来得到具有A级表面的制品。 另外，也可以通
4、过表面贴膜，在获得A级表面的同时，获得更好的冲击强度。比如，在片材表面复合一层ABS，可以提高其表面光泽和耐冲击性。新型低密度片材能够满足车内饰件的要求。这使得片材的使用从汽车的外结构件扩展到了汽车的内部装饰用材料，大大拓展了片材的应用和生存范围，为片材的进一步发展打开了道路。3.2声学性能图1是轻质热塑性复合片材的吸音性能。由图可见，轻质热塑性复合片材在强度保证的同时，还具有优良的吸音性能。这是因为制品中还存在大量的空气，阻碍了声音的传播。在讲究安静舒适的高级轿车中，这种吸音特性更值得重视。(a) (b)图1 轻质热塑性片材的声学性能 a： superlite； b：华东理工大学材料3.3
5、隔热性能表2是轻质热塑性复合片材的导热系数与其他常见材料的比较。由表可见，轻质片材的导热系数不仅比金属低几个数量级，而且比一般的塑料也低50以上，体现了良好的隔热性能。表2 各种材料导热系数材料导热系数（w/m.）材料导热系数（w/m.）聚丙烯10.16铝204聚丙烯20.20钢45聚丙烯GMT10.35不锈钢17聚丙烯GMT20.040铸铁4590聚丙烯LWRT10.081铜383聚丙烯LWRT20.082混凝土1.28聚丙烯LWRT30.083建筑用砖砌0.70.8聚丙烯LWRT40.080软木0.0434 轻质热塑性复合片材的制品成型图2是轻质GMT的制品成型过程。首先，根据制品的尺寸将
6、片材切割成适当的形状。然后，将片材加热（一般是红外）至聚合物熔点以上，此时片材中的玻璃纤维具有记忆能力，试图回复到初始的取向，这就导致片材膨化，膨化程度可达到原有厚度的56倍。接着，将膨化后的片材从加热炉送到模具中，在此进行低压成型，最后得到制品。（a）（b）（c）图2 轻质热塑性复合片材的制品成型 a：片材；b：膨化后的片材；c：制品。特别需要指出的是，在制品压制过程中低压是指模腔中所需要的压力只有0.1MPa左右，一般不会超过0.2MPa，所以也称为热成型（Thermoforming）。与之相比，传统的GMT制品成型时所需要的压力为1020MPa。成型压力的如此大幅度降低，一方面可以使用一
7、般的小吨位压机就能加工制品，节省了大吨位压机的昂贵费用，设备投资大幅降低；另一方面，可以使用经济的材料来制造模具，例如铝、环氧树脂、甚至是木材，常用的是铝，而压制传统GMT时所使用的模具材料一般是高强度模具钢，模具费用也大大降低。轻质热塑性片材按面密度分有十几种，在6002000g/m2之间，可以根据制品不同的用途来选择。然后，对选择的片材，换可以通过调节膨化后的压缩比来控制制品的体积密度，以便获得预期性能。譬如，建议轿车车顶衬里用材应当较轻，这时密度为0.38较适宜；如若是仪表板用材则应重些、结实些，这时密度为0.5较好；如果是挡泥板用材就得高强度，这时密度应达到0.85。5 总结自上世纪九十年代末其首次面世以来，轻质热塑性复合片材的发展非常迅速，虽然密度大幅度降低不可避免地会影响材料的力学性能，但是也蕴藏着更多材料特性的改变，赋予了轻质热塑性复合片材许多独特的优点及功能，而这些往往是传统热塑性复合片材所不具备的。所以后者往往只作为结构材料使用，而前者将热塑性复合材料的应用范围扩展到功能材料。随着人们对环境问题的日益重视，随着建设节约性社会的认识更深入，我们也将在自主开发的技术基础上大力推进轻质热塑性复合片材在我国的应用。
