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近年来，随着我国经济的不断发展，汽车工业也得到了快速发展。然而，由此引发的环境问题也日益严重，通过汽车轻量化来降低油耗从而降低环境污染，已经成为汽车行业的研究热点，其中，使用质量更轻的非金属材料替代传统金属材料的研究在近年来也取得了较大进展[1]。运用复合材料来部分取代车身结构件及内、外饰装饰件是汽车轻量化的一种行之有效的方法。在众多的复合材料中，长玻纤增强聚丙烯材料（PP-LGF）以其低廉的价格、优良的力学性能和环境友好性而获得更多的青睐。与短玻纤增强聚丙烯材料（PP-SGF）相比，PPLGF在强度、刚度、翘曲度、耐疲劳、缺口冲击强度和尺寸稳定性等方面更具优势，因此，使用PP-LGF生产的汽车零部件可进一步实现重量及成本的降低。
1长玻纤增强聚丙烯材料性能特点
长玻纤增强聚丙烯材料的制备工艺主要分为5种，即熔融浸渍、溶液浸渍、粉末浸渍、纤维混编工艺以及薄膜叠层工艺[2]，而在汽车零部件领域主要应用的为熔融浸渍法。熔融浸渍法生产的PP-LGF粒子的长度一般为8mm～15mm，其中玻纤的含量可达20%～60%，粒子中玻纤的保留长度可达1mm～3mm,如图1所示，相较于玻纤保留长度仅为0.2mm～0.4mm的PP-SGF材料，PPLGF因其内部纤维构成的三维网络结构，可保证产品具有更优的力学性能、抗冲击性能、耐蠕变性能等特点，更加适合应用于汽车领域对结构性能要求较高的零部件。
此外，如表1所示，随着纤维含量的增加，PP-LGF的性能也随之提高。
图1PP-LGF（左）和PP-SGF（右）中玻纤分布情况
Fig.1DistributionofglassfiberinPP-LGF(left)andPP-LGF(right)
表1不同玻纤含量PP-LGF材料和PP-SGF材料性能对比
Table1ComparisonofpropertiesofPP-LGFandPP-SGFwithdifferentglassfibercontent
2长玻纤增强聚丙烯材料在仪表板上的应用
以下将从PP-LGF应用于仪表板上的薄壁注塑、物理发泡、化学发泡三种成型工艺方面，介绍PP-LGF在仪表板轻量化方面的应用。
2.1薄壁注塑
薄壁注塑工艺是直接将产品壁厚减薄，在模具中进行加工的一种成型方法，与传统PP材料注塑的3mm～3.5mm壁厚的仪表板骨架相比，PP-LGF材料运用薄壁注塑工艺制造的仪表板骨架产品壁厚一般为2.5mm左右，整体减重可达约25%。该工艺的投入成本较低，重量优势明显。目前，该工艺在国内和国外合资品牌中，如吉利、大众、上汽、福特等均有应用，一般选择PPLGF20材料，设计的产品壁厚一般为2.2mm～2.5mm。
然而，薄壁注塑工艺也存在两点问题，首先是该工艺的模具成本较高，使用薄壁注塑，成型模具需要采用热流道设计，热流道模具的成本要比普通注塑工艺的模具成本高。其次，注塑工艺管控和注塑精度要求高，因为PP-LGF中长玻纤分布的各向异性[3]，采用PP-LGF材料的薄壁注塑产品翘曲变形较为严重，尺寸稳定性较差。
2.2物理发泡
物理发泡工艺又称为MuCell工艺，它是以热塑性材料为基体，通过将超临界流体（二氧化碳或氮气）溶解到热熔胶中形成单相溶体，并保持在高压力下，然后，通过开关式射嘴射进温度和压力较低的模具型腔，由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在产品内部形成从十到几十微米不等的封闭气泡微孔[4-5]，该项技术早期由麻省理工学院发明，1995年由美国Trexel公司将技术实现全球商品化。
MuCell工艺优势为成型周期短、产品尺寸稳定性好、翘曲低、产品轻量化和工艺适用性广。MuCell工艺使用超临界流体，可有效降低PP-LGF材料黏度,提高熔体流动性。泡孔成长压力代替传统注塑中的保压阶段，缩短成型周期，同时，可使压力分布均匀，有效降低PPLGF产品内应力，降低因长玻纤各项异性导致的产品翘曲，增加产品的尺寸稳定性。另外，泡孔填充可有效避免产品表面缩痕，微孔结构扩充，降低材料密度，产品重量减轻，较同材质实体，重量可降低5%～10%。目前，福特新蒙迪欧在仪表板骨架上应用了该工艺，骨架产品设计壁厚2.4mm，相较于实心材料重量降低了10%，此外，长城和大众也有应用于此项技术。
2.3化学发泡
化学发泡工艺包括模内发泡工艺和二次开模发泡工艺（core-back）（如图2所示），二者均是在注塑过程中，利用塑料粒子中加入的碳酸氢钠和碳酸铵类的无机发泡剂，受热分解产生的二氧化碳等气体，使产品形成微孔发泡结构，以降低材料密度，减轻产品重量[6]。
其中，core-back工艺因使用了二次开模，相较于模内化学发泡，发泡的倍率更高，产品中形成的泡孔数量更多，产品的减重比更大。一般来说，模内化学发泡的减重比相比于实心材料在5%～8%左右，而core-back工艺可高达30%～50%，具体根据退模行程决定。同物理发泡工艺一样，化学发泡工艺可在PP-LGF材料应用减重的同时，减少产品翘曲变形，提升产品稳定性，而且二次开模发泡工艺能够适用于做外观件。目前，宝马5系已在仪表板骨架上应用了PP-LGF的core-back工艺，产品壁厚由初始1.8mm左右发泡到3.8mm，重量降低了约40%，此外大众的部分车型也已使用模内化学发泡工艺。
core-back工艺的缺点是发泡剂较贵，开模的周期较长，模具成本也比模内发泡模具高，而且该工艺的技术难度较高，后期调试周期较长，产品的综合成本较高。模内发泡工艺的缺点是发泡剂较贵，产品的减重效果不是特别明显，减重效果低于薄壁注塑工艺，物理发泡工艺和core-back工艺。
图2二次开模发泡示意
Fig.2Schematicdiagramofsecondarymoldopeningfoaming
3PP-LGF在仪表板轻量化上应用展望
轻质高强复合材料在汽车零部件上的应用已经成为汽车轻量化技术的应用焦点，PP-LGF凭借其优异的材料特性和减重效果，已成为汽车仪表板轻量化的重要途径，具有良好的实用价值。目前PP-LGF材料已经在国内外众多车型上成功应用。在满足仪表板性能要求的基础上，采用PP-LGF的仪表板可以大幅度减重，同时也具有结构强度更好的优势，产品综合成本上也与传统材料相当，因此，PP-LGF材料在未来汽车仪表板的轻量化中必将有更加广泛的应用。