热塑性复合材料在汽车轻量化领域的应用及问题分析

热塑性复合材料
FRTP主要产品分类
短纤维增强热塑性复合材料（SFT，Short fiber reinforced thermoplastic） 最为传统的热塑性复合材料，主要包括增强PP、PA、PBT和PET，主要替代对强度
和模量要求较高的场合。 长纤维增强热塑性复合材料（LFT，long fiber reinforced thermoplastic）
LFT
CFT
热塑性复合材料
纤维长度与性能的关系
SFT：增强纤维长度0.2-0.6mm，LFT：纤维长度6-25mm; CFT：纤维连续
随着纤维保留长度的增加，材料的力学性能、刚度、冲击强度迅速增加。 LFT和CFT由于性能优良，故又称为先进热塑性复合材料。
长纤维增强热塑性复合材料
LFT所选用纤维 玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、金属纤维、甚至有机纤维； 玻璃纤维价格便宜，性价比高，LFT中玻璃纤维用量占90%以上，其次是
供系统解决方案，填补我国工程塑料领域的多项空白，是带动中国高分子新材料产业的 发展的领军企业。
产品覆盖面广 应用于多个行业领域
产品附加值高 为全球客户提供整体解决方案
产品应用于多个行业
电器
汽车
军工
建筑
电工
IT
水利
石化
铁路运输
新能源
为客户提供新材料系统解决方案
杰事杰公司简介
杰事杰始终坚持“以塑代钢、节能减排”，以“为中国制造业减负”为己任，多年 来十分重视热塑性复合材料及下游应用的研发，在该领域处在国内领先水平。
AC6090 240 1.57
PA6+30% （LCF）
245
1.26
普通钢 375 7.8
铝合金 200 2.8
152 194 48 71
336 12500 50% 400 17500 30% 250 210000 — 200 70000 —
长纤维增强热塑性复合材料
LFT-G生产工艺
生产流程示意图
碳纤维。 如采用有机纤维，则LFT可具有极高的韧性。
基体树脂 主要是PP、PA6、PA66，PBT、PET、以及PPS、PEEK等特种工程塑料。 其中PP占80%以上，其次是PA66和PA6。 非晶态的树脂如ABS、PS、AS等，较少使用。 基体树脂要求具有高流动性，以便于对纤维进行浸渍。
长纤维增强热塑性复合材料
长纤维增强热塑性复合材料
LFT-D（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct） 直接在线长纤维增强热塑性复合材料
LFT-D生产工艺示意图
长纤维增强热塑性复合材料
LFT-D生产工艺的优缺点
挤出机
料坯传送带 国内第一条LFT-D生产线
模压机
优点：直接在线制成最终产品，无半成品和中间工序，避免二次熔融过 程，节能高效，对于生产大型LFT制件，有明显的优势。
汽车上塑料的使用量每年呈递增趋势
热塑性复合材料
热塑性复合材料
是以玻璃纤维，碳纤维，芳烃纤维及其他材料增强各种热塑性树脂的总称，国外 称其为FRTP（fiber reinforced thermoplastics）。
与热固性材料相比的优点 与热固性复合材料相比，方便回收利用，材料利用率高； 具有可二次加工特性； 更加的抗冲击性能； 预浸料存放环境与时间无关； 生产过程环保，无有毒物质挥发物产生。 由于热塑性塑料可供选择的范围更广，故此选材设计的自由度更高； 制品的成型加工周期短，适合汽车工业所要求的大规模生产的需要。
获得第15届中国专利奖金奖，专利核心是解决聚丙烯超高韧性和高强度这 对矛盾，从而实现塑料制件减薄、汽车减重；
杰事杰公司简介
杰事杰在汽车轻量化领域的不懈努力
• 我国工程塑料比先进国 家落后20年，而工程塑 料的CAE仿真模拟技术 更是落后30年
• 杰事杰是行业内第一家 建立工程塑料选材设计 分析仿真验证系统的企 业，率先将高分子成型 模拟仿真与机械工况模 拟仿真耦合操作，创立 了结合材料配方、产品 设计、成型工艺优化于 一体的计算机辅助工程 开发系统，把我国的选 材水平提升了一大步
长纤维增强热塑性复合材料
LFT与BMC和SMC的比较优势
SMC：片状模塑料（Sheet Molding Compound） BMC：团状模塑料（Block Molding Compound）
SMC/BMC为热固性塑料，难以回收； SMC和BMC在模具内是热固化过程，加工周期长，生产效率低。 而LFT的成型过程是摸内物理冷却过程，速度快。 由于环境保护的压力，BMC和SMC逐步被LFT所取代。
LFT的性能特点 • 力学性能优异，远高于SFT，比强
度高于金属材料； • 抗蠕变性和耐疲劳性优良； • 制品尺寸稳定性高，成型收缩率小； • 纤维易于形成三维网络交错排布，
制品的各项异性小，制品翘曲低， 成型缺陷少； • 在宽温度范围和气候条件下非常好 的稳定性； • 对缺口冲击敏感度低，具有高抗冲 击强度，特别是低温冲击强度高； • 可循环回收利用，绿色环保。 • 易于加工成型，生产效率高，加工 成本低。
杰事杰尤其注重高性能热塑性复合材料的开发，在LFT，CFT等领域，处在国内领 先水平。
杰事杰是工程塑料行业在中国汽车轻量化联盟内的伙伴单位。
杰事杰公司简介
杰事杰在汽车轻量化领域的不懈努力 杰事杰在工程塑料和热塑性复合材料领域的发明专利达1600件，占同行
业50%以上，在高分子新材料领域有丰富的技术积累； 超高韧性高强度聚丙烯组合物及其制备工艺” （专利号：ZL99113928.3）
与整车价位有关的材料轻量化设计技术路线 1、低价位车型（＜ 10万）：
以钢为主+玻纤增强材料的应用；
2、中等价位车型（1百度文库-20万）：
以钢为主+少量的铝合金+玻纤增强材料的应用；
3、高价位车型（20-80万）：
以钢为主+多量的铝合金+玻纤增强材料的应用；
4、高端车型（＞80万）：
以铝合金为主+玻纤增强材料和碳纤复合材料的应用；
杰事杰申报的 “工程塑料选材 设计分析仿真工 程实验室”获得 了石油和化工联 合会的批准，杰 事杰成为行业第 一家拥有工程塑 料选材设计分析 仿真实验室的公 司，该实验室为 材料厂商和制件 厂商架起了一座 桥梁。
汽车轻量化的重要意义
汽车轻量化，是汽车行业发展的必由之路 节约能源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。 减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一； 减轻汽车自身质量是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效措施之
非金属材料轻质化
以轻代重
轻量化 方案
以塑代钢
金属零件复合材料化
零件集成化
以少代多
从选材角度来说，轻量化设计选择的材料包括：高强度钢、 铝合金、镁合金、工 程塑料、复合材料。诸多的轻量化材料中，由于复合材料更轻的密度、高强度和 设计自由度，成为汽车轻量化设计的热点材料。
复合材料在汽车轻量化的重要地位
表2 杰事杰高强度LFT系列典型牌号性能
产品牌号 拉伸强 度
（MPa）
密度
（g/c m3）
AC5090 220 1.56
基本性能
比强度
（拉伸强 度/密度）
弯曲 强度
（MP a）
弯曲模 量
（MPa）
纤维含 量
141 318 12000 50%
采用高强度LFT，可以 在结构设计上取代金 属，制作承重要求高 的部件。为汽车轻量 化设计提供可能。
复合材料在汽车轻量化的重要地位
在日本、美国和欧洲等发达国 家中，每辆轿车平均使用塑料 已超过150Kg，占汽车总重量的 10%
我国每辆轿车塑料用量平均为 100kg，占总重量的8%左右， 达到国外20世纪80年代中期的 水平
汽车塑料制品根据其应用部位， 可分为内装件、外装件、功能 件。对于强度要求较高的制件， 需要采用高性能复合材料。
一。世界铝业协会的报告指出，汽车的自身质量每减少10%，燃油的消 耗可降低6～8%；
根据最新资料，国外汽车 自身质量同过去相比减轻 了20%～26%。预计在未来 的10年内，轿车自身质量 还将继续减轻20%。
汽车轻量化水平的高低， 已成为衡量一个国家汽车 发展水平的重要标志。
汽车轻量化的途径
过； 3. 满足结构的刚度、
强度要求； 4. 材料满足使用要求；
长纤维增强热塑性复合材料
杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的新产品开发案例 某增程车电池系统上盖-2
杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的新产品开发案例 某增程车电池系统上盖-1
选材方案评估结果： 1、采用长纤料； 2、11个浇口、热流道、顺 序进浇
长纤维增强热塑性复合材料
杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的新产品开发案例 某增程车电池系统上盖-1
实际结果： 1. 减重66%，塑料件
8Kg； 2. 工艺验证一次性通
目录
1
杰事杰集团概况
2
热塑性复合材料介绍
3
热塑性复合材料在汽车轻量化领域的应用
4
存在的问题与发展趋势
杰事杰公司简介
Genius是由中国第一个工程塑料博士—杨桂生在1992年担任国家八·五重大科技攻关项 目组长期间创办，是中国最早从事工程塑料改性的企业。
Genius一直致力于工程塑料和先进热塑性复合材料的研发和产业化服务，为客户提
杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域新产品开发案例 某增程车电池系统上盖-1
设计要求 1. 减重40%；铁质～27Kg 2. 满足承载、频率的刚度要求； 3. 材料满足热性能、电性能等
要求；
技术难点 1、强度要求高； 2、制件尺寸大，～1.8m； 3、模具设计及翘曲控制较难
长纤维增强热塑性复合材料
生产现场
杰事杰参与2002年国家“863”项目，在国内率先独立开发出LFT系列产品， 拥有自主知识产权，在国内处于领先水平。
LFT-G的核心技术： 实现高粘度塑料基体对纤维纱的充分浸渍，合理的模具设计是关键； 玻纤退捻与生产的连续性； 在充分浸渍的前提下提高牵引速度。
长纤维增强热塑性复合材料
LFT-G成型工艺
预热温度
模温
快速合模
冷却15s/2m
注塑成型 一般所用粒子长度小于12mm 需要配置特殊螺杆和浇口，以减少 成型过程中对玻纤的过度破坏
模压成型 一般所用粒子长度为25mm左右
模压成型有利于最大限度保
可通过注塑成型和模压成型加工制品，工艺成熟度高，生产效率高，可以生产 结构复杂的制件，加工成本低。
建立工程塑料选材设计 分析仿真系统的意义
缩短以塑代钢等领域项目中结构设计的 周期，解决结构设计中产品重量－机械 性能之间的博弈难题
整合工程塑料领域材料研发、工艺技术 改进、结构设计创新之间的关系
指导材料研发的方向，缩短研发周期， 降低研发成本
杰事杰公司简介
杰事杰在汽车轻量化领域的不懈努力
纤维长度为6-25mm，甚至更长。 根据具体实现方式的不同，可分为LFT-G和LFT-D两种工艺。 过去十年间，LFT的年增长量高达30%，目前的产量已经超过GMT。 连续纤维增强热塑性复合材料（CFT，continuous fiber reinforced thermoplastics ）
SFT
安全气囊外壳(东南)
福特和马自达 承载门板
通用３５０车型 天窗排水槽
马自达Ｊ５３ 前端支架
福特汽车 中控台骨架
长纤维增强热塑性复合材料
杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的应用
汽车内门板(左前) (马自达)
汽车内门板（左后）(马自达)
项目
前门板 后门板
原重
1950g 1640
现重
900g 750
长纤维增强热塑性复合材料
缺点：只适合模压工艺，设备过于庞大，不适合小型制件，灵活性较差。
长纤维增强热塑性复合材料
LFT在汽车上的应用
LFT在汽车零配件中的应用
LCFT汽车轮毂
前端组件、保险杠支架、杂物箱、内门板组件、结构框架 、内饰件支架…….
长纤维增强热塑性复合材料
杰事杰LFT-G在汽车轻量化领域的应用
东风标志206 换挡器底座
LFT制件 燃烧灰烬
LFT制件中玻纤保留长度高 玻纤交错排布，形成三维网络
长纤维增强热塑性复合材料
LFT优异的力学性能
长纤维增强热塑性复合材料
高强度LFT系列产品
如取代承重要求高的金属材料，则需要更高的强度和模量。通用高强度LFT基体采
用尼龙，增加玻纤含量或采用碳纤维。
可以看出，高强度LFT 不仅绝对强度与金属 材料相近，而且由于 密度低，其比强度则 远高于金属材料。