輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材.doc

輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的性能與制品成型1 前 言所謂輕質(zhì)熱塑性復(fù)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(jù)需要在0.30.8kg/m3之間調(diào)節(jié)。與之相比，傳統(tǒng)的片材不論是用干法還是濕法生產(chǎn)的，其面密度一般在40005500g/m2之間，體積密度為1.11.3kg/m3?？梢?jiàn)，在相同面積或體積下，前者的重量要輕5080%以上。這在汽車(chē)領(lǐng)域非常重要，因?yàn)樗麄円鎸?duì)越來(lái)越嚴(yán)格的燃油消耗指標(biāo)。與此同時(shí)，輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材仍然具有一些傳統(tǒng)熱塑性復(fù)合片材的優(yōu)點(diǎn)，例如預(yù)浸料穩(wěn)定，無(wú)存放時(shí)限，且無(wú)特殊的存放要求；韌性高，有良好的抗沖擊性能；優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕性和環(huán)境適應(yīng)性；邊角料、報(bào)廢部件可回收、重新利用，不污染環(huán)境等。密度大幅度降低，蘊(yùn)藏著更多材料特性的改變，賦予了輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)及功能，而這些往往是傳統(tǒng)熱塑性復(fù)合片材所不具備的。2 輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的力學(xué)性能表1是面密度為1000 g/m2的輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材模壓到不同厚度時(shí)的力學(xué)性能。由圖可見(jiàn)，雖然密度大幅度降低不可避免地會(huì)影響材料的力學(xué)性能，但是材料的比強(qiáng)度與比模量卻有所增加，所以我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)厚度來(lái)控制材料的體積密度，獲得預(yù)期性能，反而增加了制品設(shè)計(jì)自由度。表1 輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的力學(xué)性能厚度（mm）2.03.04.0相對(duì)密度0.50.330.25玻纖含量（）505050面密度（g/m2）100010001000拉伸強(qiáng)度（MPa）11.817.303.01拉伸模量（MPa）1452914232彎曲強(qiáng)度（MPa）20.8716.443.34彎曲模量（MPa）1361932187缺口沖擊強(qiáng)度（J/m）230216913 輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的物理性能3.1A級(jí)表面前面已經(jīng)提到過(guò)，在輕質(zhì)片材生產(chǎn)中，可以有選擇地在片材的表面附加一層功能材料，整個(gè)片材的性能其實(shí)是玻纖、樹(shù)脂、表面材料共同作用的體現(xiàn)。例如QPC現(xiàn)在正在研究通過(guò)附加上過(guò)漆的鋁帛來(lái)制造車(chē)頂，Azdel則正在試圖在片材表面附加GE先進(jìn)材料公司的Lexan SLXPC共混物薄膜來(lái)得到具有A級(jí)表面的制品。 另外，也可以通過(guò)表面貼膜，在獲得A級(jí)表面的同時(shí)，獲得更好的沖擊強(qiáng)度。比如，在片材表面復(fù)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(mǎn)足車(chē)內(nèi)飾件的要求。這使得片材的使用從汽車(chē)的外結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展到了汽車(chē)的內(nèi)部裝飾用材料，大大拓展了片材的應(yīng)用和生存范圍，為片材的進(jìn)一步發(fā)展打開(kāi)了道路。3.2聲學(xué)性能圖1是輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的吸音性能。由圖可見(jiàn)，輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材在強(qiáng)度保證的同時(shí)，還具有優(yōu)良的吸音性能。這是因?yàn)橹破分羞€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(jí)轎車(chē)中，這種吸音特性更值得重視。(a) (b)圖1 輕質(zhì)熱塑性片材的聲學(xué)性能 a： superlite； b：華東理工大學(xué)材料3.3 隔熱性能表2是輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的導(dǎo)熱系數(shù)與其他常見(jiàn)材料的比較。由表可見(jiàn)，輕質(zhì)片材的導(dǎo)熱系數(shù)不僅比金屬低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且比一般的塑料也低50以上，體現(xiàn)了良好的隔熱性能。表2 各種材料導(dǎo)熱系數(shù)材料導(dǎo)熱系數(shù)（w/m.）材料導(dǎo)熱系數(shù)（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(zhì)熱塑性復(fù)合片材的制品成型圖2是輕質(zhì)GMT的制品成型過(guò)程。首先，根據(jù)制品的尺寸將片材切割成適當(dāng)?shù)男螤?。然后，將片材加熱（一般是紅外）至聚合物熔點(diǎn)以上，此時(shí)片材中的玻璃纖維具有記憶能力，試圖回復(fù)到初始的取向，這就導(dǎo)致片材膨化，膨化程度可達(dá)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(jìn)行低壓成型，最后得到制品。（a）（b）（c）圖2 輕質(zhì)熱塑性復(fù)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(guò)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(huì)超過(guò)0.2MPa，所以也稱(chēng)為熱成型（Thermoforming）。與之相比，傳統(tǒng)的GMT制品成型時(shí)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(jī)就能加工制品，節(jié)省了大噸位壓機(jī)的昂貴費(fèi)用，設(shè)備投資大幅降低；另一方面，可以使用經(jīng)濟(jì)的材料來(lái)制造模具，例如鋁、環(huán)氧樹(shù)脂、甚至是木材，常用的是鋁，而壓制傳統(tǒng)GMT時(shí)所使用的模具材料一般是高強(qiáng)度模具鋼，模具費(fèi)用也大大降低。輕質(zhì)熱塑性片材按面密度分有十幾種，在6002000g/m2之間，可以根據(jù)制品不同的用途來(lái)選擇。然后，對(duì)選擇的片材，換可以通過(guò)調(diào)節(jié)膨化后的壓縮比來(lái)控制制品的體積密度，以便獲得預(yù)期性能。譬如，建議轎車(chē)車(chē)頂襯里用材應(yīng)當(dāng)較輕，這時(shí)密度為0.38較適宜；如若是儀表板用材則應(yīng)重些、結(jié)實(shí)些，這時(shí)密度為0.5較好；如果是擋泥板用材就得高強(qiáng)度，這時(shí)密度應(yīng)達(dá)到0.85。5 總結(jié)自上世紀(jì)九十年代末其首次面世以來(lái)，輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的發(fā)展非常迅速，雖然密度大幅度降低不可避免地會(huì)影響材料的力學(xué)性能，但是也蘊(yùn)藏著更多材料特性的改變，賦予了輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)及功能，而這些往往是傳統(tǒng)熱塑性