GMT材料的制备工艺及其在汽车轻量化方面的应用研究

顿栋梁;宋发宝;程康;叶葳;张建亮;黄江玲

【摘 要】介绍了GMT材料的特性和GMT材料的制备工艺,对比了2种玻纤含量的GMT材料性能;以发动机下护板为例,从材料性能分析、结构设计优化、CAE仿真分析和试验验证等方面介绍了以GMT材料替代金属材料的零件设计、验证过程及方法.结果表明以GMT替代金属材料用于汽车部件具有轻量化、环保和经济性的优点.

【期刊名称】《汽车工艺与材料》

【年(卷),期】2015(000)011

【总页数】4页(P51-)

【关键词】PGMT;轻量化;发动机下护板

【作 者】顿栋梁;宋发宝;程康;叶葳;张建亮;黄江玲

【作者单位】东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心;东风汽车公司技术中心

【正文语种】中 文

【中图分类】U465.6

当今汽车市场的竞争日趋激烈，如何以更低成本制造较高性能的产品成为汽车主机厂和零部件供应商的关注热点；同时，节能、轻量化和环保等发展趋势也对汽车材料提出了更高要求。为顺应上述要求，复合材料在汽车上得到了越来越广泛的应用，本文介绍东风汽车公司以GMT材料替代金属材料生产发动机下护板所做的有关工作。

玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（Glass Mat Reinforced Thermoplastic，简称GMT材料）是由玻璃纤维毡和热塑性树脂复合而成的一种新型复合材料，具有轻质、环保、吸声、隔热、高强、韧性好、优良的抗化学腐蚀性和环境适应性等特点，广泛用于交通、建筑和航空等领域。

GMT材料的制备工艺经历了湿法工艺、干法工艺、流化场工艺3个发展方向[1]。

1.1 湿法工艺

湿法工艺又称造纸工艺，工艺流程（图1）为：入料→混合絮化→沉降→负压成型→排湿→加热塑化→定型复合→成型→切断。其主要工艺过程包括：容器1中的短切玻纤和容器2中的助剂悬浮液（由树脂、乳化剂等组成）分别加入混合容器3中，经混合、絮化后，在重力作用下沉降于带有负压系统9的运动网帘10上形成坯毡；坯毡经排湿后随运动网帘进入加热炉8，树脂被熔融塑化；最后经定型系统6定型，并与无纺布4和胶膜7复合成型后经切断为板材。该工艺的优点是可以使玻纤完全絮化成单丝，树脂对玻纤的浸渍效果较好，树脂容易在纤维表面分散；但该工艺仅适合长度为50～80 mm的玻纤，

且生产设备成本高，能耗也较大。

1.2 干法工艺

干法工艺又称梳理工艺，是在无纺布生产工艺基础上发展起来的。工艺流程（图2）为：混合、开松、梳理→热熔混合→铺网铺叠→针刺加固→加热塑化→复合定型→冷却成型→切断等（图2）。其主要工艺过程包括：玻纤在混合梳理系统7中混合、开松、梳理形成单丝并与热熔纤维均匀混合；混合后的单丝在铺网机6中形成玻纤单纤网，并反复铺叠形成坯毡；坯毡经针刺机5针刺加固后进入加热炉4中热熔塑化；最后在定型系统中与无纺布3和胶膜1复合、定型，冷却后成型切断成板材。干法工艺的优点在于可以梳理长达100～150 mm的纤维，不排放废气、废水，生产过程对环境友好；但梳理过程对纤维造成损伤，梳理后的实际玻纤长度只有50～80 mm；玻纤和热熔纤维之间的连接是点方式连接，为改善GMT板材力学性能，树脂用量相对较高，成本增加，而且由于梳理工艺的特性使得玻纤取向明显，GMT板材力学性能具有明显的各项异性特征，纵、横方向的差别比较显著。

1.3 流化场工艺

流化场工艺是以空气为流化介质，利用空气动力学技术的新工艺，工艺流程（图3）为：原料及热空气喷入流化场→搅拌混合→喷出→沉降→坯毡成型→复合成型→冷压成型→切断。主要工艺过程包括：将热空气、玻纤和树脂粉末分别经2、3、 4送入带有搅拌装置1的流化场内；通过搅拌桨1将玻纤分散为单丝并与树脂粉末充分混合；混合物经气流从导流输送管道10出口喷出到网孔运输带5上沉降为坯毡；坯毡与无纺布6和胶膜

9复合成为基材；基材送入滚压机7中，冷压成型后切断成板材。该工艺的优点是：利用空气动力学技术和流化技术，实现了树脂粉末和玻纤单丝的预先充分混合；以空气为流化介质，不产生任何有毒、有害的废弃物，符合环保要求。

近年来，一些厂家对原工艺进行完善、形成新的干法工艺，实现通过气流加压成网，完全改变了纤维成网方式，将所有纤维原料制成均匀的立体结构纤维网，从而明显提高了GMT材料的性能；另一个发展方向是通过静电方式将树脂粉末浸入纤维基毡，使树脂粉末对玻纤的浸润更加均匀，不但减少了树脂用量，降低了成本，而且还提高了GMT材料性能[2]。

用于汽车的GMT材料通常是以2层玻璃纤维针刺毡与3层热塑性树脂（如PP、PA等）复合而成的一种复合材料片材，密度约为1.1～1.2 g/cm3，具有高抗冲击韧性、比强度高、易于采用模压成型工艺以及可回收再利用等优点[3]，近年来在乘用车（如车底护板、备胎仓、尾门模块、保险杠大梁、电池盒、仪表板骨架及前端模块等汽车部件[4]）上得到越来越多的应用。下面以汽车发动机下护板为例，对采用流化场工艺制备的两种玻纤含量（23%和30%）GMT材料性能进行研究，并与DC03金属下护板对比。需要强调的是，GMT材料用于发动机下护板时，需要满足下护板零件关键性能指标——刚度和耐冲击强度的要求。

2.1 材料性能对比

2.1．1 基本物理性能对比

DC03、F23和RD30的基本物理性能对比见表1。

2.1．2 力学性能对比

3种材料的力学性能试验结果见表2。

2.1．3 材料力学性能试验结果分析

2.1．3．1常态力学性能

RD30的力学性能（玻纤含量较高）均优于F23

2.2．1 CAE模态分析

对优化前、后的GMT材料下护板模型与DC03下护板模型进行CAE仿真模态分析，结果见表3。

为了弥补GMT材料弹性模量低于钢的不足，GMT零件厚度为2.5 mm（钢板厚度为1.5 mm）同时进行结构改进（增加加强筋和折弯边结构等）。优（玻纤含量较低）的力学性能，前者的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和悬臂梁缺口冲击强度分别比后者提高了107%、60.3%、33.1%和21.2%。

2.1．3．2老化前、后的力学性能

湿热老化对GMT材料的力学性能影响不大,且GMT材料体现出较好的抗低温冲击性能。

2.1．3．3热变形温度和吸水率

RD30的GMT材料的热变形温度比F23高；且两种GMT板材均表现出较低的吸水率，这也是GMT材料力学性能受湿热老化影响较小的原因。

2.2 发动机下护板的结构设计及优化

以东风某车型发动机下护板为例，图4为零件模型示意图（（优化前GMT玻纤含量为30%）。由于安装边界不变，故零件安装尺寸不变。为了减轻质量，钢制下护板一般开有较多的减重孔；由于GMT弹性模量低于钢，为了保证零件刚度，GMT下护板设计主要从尺寸、形状、拓扑结构方面改进、优化，减少了减重孔，增加了加强筋和折弯边等结构。化后的GMT下护板模态有明显提高，玻纤含量高的RD30的模态优于F23。

2.2．2 CAE冲击强度仿真分析

根据设计经验，以3.5 g加速度模拟极限工况分析强度，CAE仿真冲击强度分析结果见图5。结果表明，GMT材料下护板应力较低，同时其应力集中区域面积更小；DC03下护板最大应力为65 MPa， GMT下护板优化前、后的最大应力分别为5.0 MPa和5.6 MPa，3种材料的下护板均能满足3.5 g加速度的冲击强度要求。

2.3 发动机下护板关键性能指标的验证

按表4的试验方法和要求对3种材料的下护板进行台架试验，以判断样件是否符合零件设计要求。

台架试验表明GMT下护板满足产品的关键性能指标——刚度和抗冲击强度的性能要求；同时，通过整车耐久试验测试，符合设计要求。

优化后的GMT发动机下护板质量仅1.14 kg，相比原钢制下护板，实现单个零件减重65.5%，零件成本减低约22%；且产品刚度和耐冲击强度能够满足设计关键性能指标要求，有利于汽车轻量化；此外，与钢制下护板相比，GMT材料本身性能稳定，耐化学腐蚀性及耐候性优异，不需要涂装，可简化生产工序，从而减少了环境污染。随着GMT材料生产工艺的不断完善，相信GMT材料将会广泛应用于汽车（尤其是对整车轻量化有更高要求的纯电动汽车）产品上。

【相关文献】

[1]戴干策,孙斌.轻质热塑性复合片材的制备技术与应用[J].纤维复合材料,2007.（2）：3-6.

[2]张伟,董升顺,蒋建云，等.轻质GMT板材制备技术与发展现状[J].塑料工业,2011（S1）：50-56.

[3]崔益华,陶杰.GMT片材及其在汽车工业中的应用[J].汽车工艺与材料,2003.（4）：16-19.

[4]戴干策,朱永全,王清国.车用GMT材料应用现状与发展预测[J].汽车技术,1999.（7）：25-27.