輕質熱塑性復合片材的性能與制品成型1 前 言所謂輕質熱塑性復合片材，是指這種材料的密度非常低，其面密度在6002000g/m2之間，而體積密度可以根據需要在0.30.8kg/m3之間調節。與之相比，傳統的片材不論是用干法還是濕法生產的，其面密度一般在40005500g/m2之間，體積密度為1.11.3kg/m3。可見，在相同面積或體積下，前者的重量要輕5080%以上。這在汽車領域非常重要，因為他們要面對越來越嚴格的燃油消耗指標。與此同時，輕質熱塑性復合片材仍然具有一些傳統熱塑性復合片材的優點，例如預浸料穩定，無存放時限，且無特殊的存放要求；韌性高，有良好的抗沖擊性能；優良的抗化學腐蝕性和環境適應性；邊角料、報廢部件可回收、重新利用，不污染環境等。密度大幅度降低，蘊藏著更多材料特性的改變，賦予了輕質熱塑性復合片材許多獨特的優點及功能，而這些往往是傳統熱塑性復合片材所不具備的。2 輕質熱塑性復合片材的力學性能表1是面密度為1000 g/m2的輕質熱塑性復合片材模壓到不同厚度時的力學性能。由圖可見，雖然密度大幅度降低不可避免地會影響材料的力學性能，但是材料的比強度與比模量卻有所增加，所以我們可以通過調節厚度來控制材料的體積密度，獲得預期性能，反而增加了制品設計自由度。表1 輕質熱塑性復合片材的力學性能厚度（mm）2.03.04.0相對密度0.50.330.25玻纖含量（）505050面密度（g/m2）100010001000拉伸強度（MPa）11.817.303.01拉伸模量（MPa）1452914232彎曲強度（MPa）20.8716.443.34彎曲模量（MPa）1361932187缺口沖擊強度（J/m）230216913 輕質熱塑性復合片材的物理性能3.1A級表面前面已經提到過，在輕質片材生產中，可以有選擇地在片材的表面附加一層功能材料，整個片材的性能其實是玻纖、樹脂、表面材料共同作用的體現。例如QPC現在正在研究通過附加上過漆的鋁帛來制造車頂，Azdel則正在試圖在片材表面附加GE先進材料公司的Lexan SLXPC共混物薄膜來得到具有A級表面的制品。 另外，也可以通過表面貼膜，在獲得A級表面的同時，獲得更好的沖擊強度。比如，在片材表面復合一層ABS，可以提高其表面光澤和耐沖擊性。新型低密度片材能夠滿足車內飾件的要求。這使得片材的使用從汽車的外結構件擴展到了汽車的內部裝飾用材料，大大拓展了片材的應用和生存范圍，為片材的進一步發展打開了道路。3.2聲學性能圖1是輕質熱塑性復合片材的吸音性能。由圖可見，輕質熱塑性復合片材在強度保證的同時，還具有優良的吸音性能。這是因為制品中還存在大量的空氣，阻礙了聲音的傳播。在講究安靜舒適的高級轎車中，這種吸音特性更值得重視。(a) (b)圖1 輕質熱塑性片材的聲學性能 a： superlite； b：華東理工大學材料3.3 隔熱性能表2是輕質熱塑性復合片材的導熱系數與其他常見材料的比較。由表可見，輕質片材的導熱系數不僅比金屬低幾個數量級，而且比一般的塑料也低50以上，體現了良好的隔熱性能。表2 各種材料導熱系數材料導熱系數（w/m.）材料導熱系數（w/m.）聚丙烯10.16鋁204聚丙烯20.20鋼45聚丙烯GMT10.35不銹鋼17聚丙烯GMT20.040鑄鐵4590聚丙烯LWRT10.081銅383聚丙烯LWRT20.082混凝土1.28聚丙烯LWRT30.083建筑用磚砌0.70.8聚丙烯LWRT40.080軟木0.0434 輕質熱塑性復合片材的制品成型圖2是輕質GMT的制品成型過程。首先，根據制品的尺寸將片材切割成適當的形狀。然后，將片材加熱（一般是紅外）至聚合物熔點以上，此時片材中的玻璃纖維具有記憶能力，試圖回復到初始的取向，這就導致片材膨化，膨化程度可達到原有厚度的56倍。接著，將膨化后的片材從加熱爐送到模具中，在此進行低壓成型，最后得到制品。（a）（b）（c）圖2 輕質熱塑性復合片材的制品成型 a：片材；b：膨化后的片材；c：制品。特別需要指出的是，在制品壓制過程中低壓是指模腔中所需要的壓力只有0.1MPa左右，一般不會超過0.2MPa，所以也稱為熱成型（Thermoforming）。與之相比，傳統的GMT制品成型時所需要的壓力為1020MPa。成型壓力的如此大幅度降低，一方面可以使用一般的小噸位壓機就能加工制品，節省了大噸位壓機的昂貴費用，設備投資大幅降低；另一方面，可以使用經濟的材料來制造模具，例如鋁、環氧樹脂、甚至是木材，常用的是鋁，而壓制傳統GMT時所使用的模具材料一般是高強度模具鋼，模具費用也大大降低。輕質熱塑性片材按面密度分有十幾種，在6002000g/m2之間，可以根據制品不同的用途來選擇。然后，對選擇的片材，換可以通過調節膨化后的壓縮比來控制制品的體積密度，以便獲得預期性能。譬如，建議轎車車頂襯里用材應當較輕，這時密度為0.38較適宜；如若是儀表板用材則應重些、結實些，這時密度為0.5較好；如果是擋泥板用材就得高強度，這時密度應達到0.85。5 總結自上世紀九十年代末其首次面世以來，輕質熱塑性復合片材的發展非常迅速，雖然密度大幅度降低不可避免地會影響材料的力學性能，但是也蘊藏著更多材料特性的改變，賦予了輕質熱塑性復合片材許多獨特的優點及功能，而這些往往是傳統熱塑性