gmt片材及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

1、· 試驗(yàn)研 究 ·汽車工 藝與材料 AUTOM OB~ E TECHNOLOGY & M _ ATERI A L 文 章 編 號(hào) ： 1 0 0 3 — 8 8 1 7 ( 2 0 0 3 ) 0 4 - - 0 0 1 6 - 0 4G MT片材及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用 崔 益華， 陶 杰 ( 南京航 空航天 大學(xué) 材料 學(xué)院，江蘇 南京 2 1 0 0 1 6 )摘要 ： 介紹 了 G M T片材及其復(fù)合

2、材料的性 能特點(diǎn) 、 制備與加工工 藝。概述 了 G MT在國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè) 中的應(yīng)用現(xiàn)狀 ，分析了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 。關(guān)鍵詞 ： G MT ；復(fù)合材料 ；應(yīng)用 中圖 分 類 號(hào) ： T G 4 5 7 ． 1文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 ： AGM T a n dI t sAp p l i c a t i o n s0 nAu t o m o b i l eI n d u s t r i e sCUIYi — h u a．TA0 , ． 1 i

3、e( C o l l e g eo fM a t e r i a l s ， N a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s& A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n gJ i a n g s u2 1 0 0 1 6 。 C h i n a )Ab s t r a c t s ： T h i sp a p e ri n t r

4、 o d u c e st h ep r op e r t i e s 。 p r e p a r a t i o na n dp r oc e s s i n gt e c h n o l o g yo fGMTs h e e ta n di t sc o mp o s i t e s 。 s u mma r i z e st h ea p p l i c a t i o n so fGMT o na u t o mo b i l

5、ei n d u s t r i e sb o t h a th o mea n da b r oa da n da n a l y z e si t sd e v e l o p i n gt e n d e n c yi nt h ef u t u r e ．Ke y wo r d s： GMT； c o mp o s i t e；a p p l i c a t i o n1 前言 2G MT片材的性能特點(diǎn) 玻 璃 纖 維氈 增

6、 強(qiáng) 熱 塑性 片材 ( G MT， G l a s sMa tR e i n f o r c e dT h e r m o p l a s t i c s )是 2 0世 紀(jì) 8 0年 代 發(fā)展 起來(lái) 的一 種新 材料 ，它 是 以玻璃 纖維 針刺 氈 與熱塑 性樹脂 ( P P 、 P A 、 P E T 、 P B T等 ) 復(fù)合而成 的一種 復(fù)合 材料片材。 G M T作為一種先進(jìn)的高性能復(fù)合材料 ， 與金屬材料相比， 它具有輕

7、質(zhì) 、 比強(qiáng)度高、 耐腐蝕 、 易成 型等優(yōu)點(diǎn) ；與熱 固性 S M C相 比， G M T具有成型周期 短 、 沖擊韌性好 、 可再生利用等特點(diǎn) ， 被稱為 2 l 世紀(jì) 的“ 綠 色材料 ” 口 。 ] 。G MT的概念 最早 于 2 0世 紀(jì) 4 0年 代中期提出 ， 經(jīng)過 6 0 多年的發(fā)展 ， 其技術(shù)與工藝已日臻 完 善 。 目前 8 0 ％的 G M T應(yīng) 用 在汽 車 工業(yè) 中 ， 其 余 2 0 ％ 用在建筑 、 化工

8、、 包裝、 運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域中] 。2 0 0 1年 全 世 界 G MT的 產(chǎn) 量 約 l 5萬(wàn) t ，歐 洲 G M T的總 量達(dá) 9萬(wàn) t 。 德 國(guó)是歐 洲 GM T生產(chǎn) 和使用 量最 多 的 國(guó)家 ， 占?xì)W洲 總量 的 8 2 ％， 法 國(guó) 占 7 ％。 美 國(guó) G M T 目前 的年產(chǎn) 量 約 5萬(wàn) t 。 近 年來(lái) 北美 G MT的年 均增長(zhǎng)率達(dá)到 1 0 ％， 歐洲市場(chǎng)上 G M T的年增長(zhǎng)率達(dá) 到 l 5 ％以上 。 目

9、前全 世 界生 產(chǎn) GM T的主要 廠商 有美 國(guó) A z d e l 公 司 、瑞 士 S y ma l i t 公 司 和德 國(guó) E l a s t o g r a n公 司 。 美 、 日 、 德 、 法 、 韓等 各 國(guó) 的 汽 車 均 大 量應(yīng) 用 GM T制 作零 部件 。2 ． 1 比強(qiáng) 度高 由表 l 可 知 ， G MT片材 的強(qiáng) 度 和熱 固性 復(fù)合 材 料基本相當(dāng)，但其密度要 比熱固性復(fù)合材料 ( 1 ． 8 ～2

10、 ． 0g ／ c m) 低 4 0 ％， 因此 ， 它 比熱固性復(fù)合材料具有 更高的比強(qiáng)度 ， 與鋁合金相 當(dāng)。表 1 國(guó) 外 G M T 片材 的主 要 性 能 指 標(biāo) 玻纖含 拉伸強(qiáng) 彎曲強(qiáng) 彎曲模 沖擊強(qiáng)熱變形 密度量／ ％ ] ~／ M P a ] ~ ／ MP a ~／ G P a度／ k J · mg~／ ~ c／ g · c a2 5 - 4 05 5 - 2 4 0l1 0 ～ 2 3 03 ．

11、5 ～ 8 ． 51 5 ～1 3 01 4 9 ～ 1 6 51 ． O 2 ～1 ． 2 4注 ： 包 括 單 向 G MT片材 的性 能 參 數(shù) 。2 ． 2 可 回收再 利用 G M T片材是熱塑性復(fù)合材料 ，不污染環(huán)境 ， 所 生產(chǎn) 的制品在 服 役期 滿后 可反 復(fù) 回收利 用 。試驗(yàn) 表 明 ， 回收料重 復(fù)使 用兩 次不 會(huì) 明顯 降低各 項(xiàng)性 能 ； 將 回收后 的 G MT制 品制 成 粉 料或 粒 料 加 入新 料

12、 中使 用 ， 添加量為 1 0 ％時(shí)不會(huì)影響其加工性能 ； 添加量為 3 0 ％ 時(shí) ， 基體性能不受影響 ． 7 ] 。2 ． 3 成 型 加工簡(jiǎn) 單 。 生產(chǎn) 效 率高 G MT的成 型壓 力 僅 為 3 - 6M P a ， 大 大低 于 S MC的成 型壓 力 ( 1 0 - 1 5M P a ) ； S MC的成 型 周 期一 般 為 5 - 1 5mi n ， 而 GM T的成 型 周期 僅 為 3 0 ～ 6 0S 。

13、因此 ，收稿 日期 ： 2 0 0 2 — 1 2 — 1 0作者簡(jiǎn)介 ： 崔益華 ( 1 9 7 0 - ) ， 江蘇海安人 ， 講師 ， 博 士研究生 ， 主要從事樹脂基復(fù)合材料與納米材料的應(yīng)用開發(fā)研究工作 。一 l 6一汽車工藝與材料 維普資訊 http://www.cqvip.com 崔 益 華 等 ： G M T 片材 及 其 在 汽 車 工 業(yè) 中的 應(yīng) 用3 ． 2GMT制 品的成 型 工藝 3 ． 2 ． 1沖壓 成 型

14、 沖壓成型是一種快速 的壓縮模塑 。 首先按樣板將 GM T片材下料 ， 然后將其 加熱到一定 溫度 ， 裝入模具 ，快速合模加壓 ， 經(jīng)冷卻 、 脫模、 切邊、 修整， 得到制品。根據(jù)成型溫度 的高低分為冷沖壓H和熱沖壓。前者 的加 工溫 度 界 于熔 融 溫 度 和重 結(jié) 晶 溫度 之 間 ，一 般 比熔 融溫 度低 2 0 ~ 3 0℃，這樣 可將 成 型 時(shí) 間縮 短 到 1 5S ； 后者 本質(zhì) 上 是一 種 流動(dòng) 成 型過

15、程 ， 是一 種 層狀被加熱的 、 熔融復(fù)合材料的充模流動(dòng)過程， 一般 需 3 0 ~ 6 0S l l。工藝 流程 ： G MT片材一 下 料一 預(yù)熱一 裝模一 熱壓一 冷卻一 切 邊一 成 品 。沖壓成 型 的特點(diǎn) 是制 品成 型周 期短 ，成 型壓 力 小 ， 生產(chǎn) 自動(dòng)化程度高。3 ． 2 ． 2 模 壓成 型 主要用于制備復(fù)合結(jié)構(gòu)如夾芯結(jié)構(gòu)。成型時(shí)將 G MT片材 與 泡 沫 芯材 或 蜂 窩 芯 材 等 一 起 疊 層 置

16、 于 模 具 中 ， 加 熱 、 加 壓 ， 使 G MT片材 與 芯材 粘 結(jié) ， 然 后 冷 卻 、 定型 得 到制 品。 這 種工 藝最 早用 于制 備飛 機(jī)地 板 ， 目前 在 汽車 地板上 已經(jīng)得 到應(yīng) 用 。4GMT在汽 車工業(yè) 中的應(yīng)用現(xiàn)狀 G M T在汽車零部件上的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)歷了三個(gè) 重要階段 ： 第一階段是開發(fā)簡(jiǎn)單的低成本的非結(jié)構(gòu)性 汽車部件 ， 如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)隔音罩等 ； 第二階段是開發(fā) 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)體及復(fù)雜的集多功能

17、于一體的結(jié)構(gòu)件 ， 如 散熱器罩和座椅等； 第三階段是原材料的再生利用。4 ． 1GMT在 歐洲轎 車 中的應(yīng) 用 歐洲盡 管 在 2 0世紀(jì) 7 0年 代末 才 開始認(rèn) 識(shí) 和利 用 G M T制造汽車部件， 但在 1 9 8 6年到 1 9 9 6 年的十 年間 ，歐洲 的轎車使用 G M T的部件由 3 6種增加到8 0 0多種 ， 主要 有儀 表 板 、 發(fā)動(dòng) 機(jī)罩 、 蓄 電池 托架 、 座 椅 骨架 、 轎 車前 端模塊 、

18、 儀表板 骨 架等 。德國(guó)是歐洲應(yīng)用 G M T制造汽車部件最早 和最 多的國(guó)家。 德國(guó)的寶馬 、 奧迪 、 大眾 、 高爾夫等轎車均 應(yīng)用了 G M T部件。據(jù)報(bào)道 ， 新款奔馳轎車所使用的G MT部 件超過 3 0。B M W 公 司采用 GM T代 替原 來(lái) 的金 屬 材料 制造 M3運(yùn) 動(dòng) 轎 車 的保 險(xiǎn)杠將 其質(zhì) 量 至 少 減少 了 6 0 ％， 保 險(xiǎn)杠質(zhì)量?jī)H 2 ． 8k g ， 符合歐盟 、 美國(guó) 、 加拿 大的要求

19、。該車的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是由德國(guó) J a c o b 復(fù)合材料公司采 用 He x c e l 公 司 的 T o w F l e x b連 續(xù) 纖 維 增 強(qiáng) P A 6制 成 ， 主要 是 為 r 提 高振動(dòng) 能 量的 吸收 能力 ， 降低部 件 一 l 8一的 重量 ， 替代 原 來(lái) 的金 屬 梁 和 減 振元 件 。H e x c e l 公 司特 別 開 發(fā) 的這 種 T o w F l e x無(wú) 堿 玻 纖增 強(qiáng) P A- 6復(fù)

20、合材 料 不僅可 以由片材 進(jìn) 行熱成 型 ，而 且采 用熱 塑 性焊 接 的方 法可 以實(shí)施 自動(dòng)化 流水 線裝 配 ，同時(shí)這 種材料可 以進(jìn)行 回收 。保 險(xiǎn)杠的零部件由 A C ． S 公 司提供 的板材 和管材采用高速對(duì)合 模熱壓成型得 到， 然后通過高頻焊接的方法進(jìn)行裝配 ， 直接供應(yīng)給 B M W 公 司。法國(guó)汽車工業(yè)原本 看好 S MC ， 近幾年也 開始致力 于研究 G M T 復(fù)合材料汽車部件 ， 現(xiàn)已制造出高吸能性

21、G M T 保險(xiǎn)杠， 其質(zhì)量比相同的金屬保險(xiǎn)杠減少 2 0 ％， 另外還有儀表板 及內(nèi)飾件等 。法 國(guó)的 P ． 0公司在 墨西 哥 建立 了三個(gè) 壓制制品的工廠 。此外 ， 英 國(guó) 、 奧地利 等國(guó) 家采用 G M T制造汽車部件， 其用量逐年提高。4 ． 2GMT在北 美轎 車 中的應(yīng) 用 美國(guó)的 G M T產(chǎn)品中有 8 0 ％ 用于汽車部件。福 特 、 梅 塞 克斯 、 通用 等著 名公 司 的轎 車部件 大 多使用 了 G M

22、T ， 如保險(xiǎn)杠 、 蓄電池托架 、 行李架 、 備胎盤 、 儀 表板 、 前 圍 、 擋泥板 、 風(fēng)扇葉片等 ， 僅福特公司就有 l 5個(gè)車 種使 用 G M T保 險(xiǎn)杠 。為適應(yīng)汽車內(nèi)飾件的需要 ， 北美最大的 G M T供 應(yīng)商 A z d e l 公司利用現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)出新型 G M T 。 如 用 于頂 蓋 和 底板 的 G MT與 P U泡 沫 芯 材 層壓 制 制 得 的夾層 結(jié)構(gòu) 等 。4 ． 3GMT在 日、 韓 轎 車

23、 中的應(yīng) 用 日本制造 G M T片材的廠家主要有宇部 日東化 成 、 出光 N S G公 司 。宇 部 日東化 成公 司 生產(chǎn) 的 GM T有 9 0 ％ 用于制造 汽車部件( 主要是蓄電池托架) 。出光 NS G公 司 生 產(chǎn) 的 G MT有 8 0 ％用 于 制 造 汽 車 部 件， 如轎 車 后 行 李 架 、 座 椅 骨 架 、 車頂 和 內(nèi)裝 飾 基 材 等。 長(zhǎng)纖維 G M T具有變形 回復(fù) 、 產(chǎn)生膨脹的特點(diǎn) ， 利 用

24、這 一 特點(diǎn)可 以制造 出膨 化 的轎車 頂棚 。這 種頂 棚 兼有 傳統(tǒng) 的 多層材 料 的隔 熱和緩 沖性 能 ，從 而大 幅 度地 減少 了質(zhì) 量 ，降低 成本 。 日本 有關(guān) 部 門計(jì)劃 將 G M T片材部件大量用到新車型上 ，到 目前 為止 ， 日本主要汽車制造 商如豐 田 、 日產(chǎn) 、 五十鈴 、 鈴木 、 本 田 、三菱 、大 發(fā) 、馬 自達(dá)公 司的各 車 型中都 使用 了 G M T部 件 ， 應(yīng) 用較 多 的是 蓄