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汽车挡泥板的材料选择与加工

摘要 重点论述了汽车挡泥板的材料选择与加工，通过对汽车挡泥板的各种性能及使用条件进行研究，指出采用玻璃纤维增强聚丙烯片材和流动模塑成型工艺制成的汽车挡泥板具有良好的表面质量和优异的力学性能，即满足设计要求有达到了轻量化的目的。与传统的挡泥板相比，更具有实用性和可加工性。
英文摘要Focuses on the material selection of fender and processing, through the research on the performance and operating conditions on the fender, points out that the use of glass fiber reinforced polypropylene sheet and made flow moulding process of automobile fenders with good surface quality and excellent mechanical properties, which meet the requirements of design has achieved the aim. Compared with the traditional fender, practicability and workability.
关键词 汽车工程材料；汽车挡泥板；玻璃纤维增强聚丙烯
1 前言
未来的轿车将越来越轻和便宜﹐而同时也要承受更严格的安全﹑舒适度和设计上的要求。这也就要求在高强度结构件中更多地利用聚合物和复合材料。在这个方面 GMT材料是一种重要的技术。现在的座椅﹑仪表板等都已是由GMT做成的。它们必须能够吸收相当的负荷和在碰撞时产生的一部分冲击能量。GMT不仅提供极佳的性能(模量﹑强度﹑抗冲击﹑密度等)﹐而且依靠流塑工艺﹐它能很容易被加工成复杂零件﹐这是它的一个优势﹐也使低成本﹑大批量地生产大表面积结构件成为可能。在过去的几年中﹐GMT已取得了许多的发展和进步﹐能够满足现在和将来的需要。
GMT(Glass Mat reinforced Thermoplastics)是玻璃纤维增强型热塑性塑料的英文首字母缩写。GMT材料是一种新型工程用塑料，可广泛应用于汽车车身各部位，可替代传统的金属部件，减轻重量，降低成本。GMT以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料。一般可以生产出片材半成品，然后直接加工成所需要的形状的产品。纤维可以是短切玻璃纤维或连续的玻璃纤维毡，热塑性树脂可以是通用塑料，工程塑料或高性能塑料。GMT的发展较晚，但发展迅速。它的力学性能好，成型周期短，生产成本低，可模制较大的、形状复杂的部件且尺寸稳定性好，选用按所要求尺寸预先切好的GMT,就有可能达到50-300N/mm2范围内的强度，模压好的GMT部件几乎是各向同性的，对于所有类型的冲击，都具有良好的强度，其最终产品没有焊缝，而且可回收利用，这使得它受到汽车界的极大关注。现在欧洲汽车工业越来越倾向于使用GMT，利用它来生产前端部件、座椅壳体、发动机隔噪罩、保险杠、仪表板托架、挡泥板等部件。
2 汽车挡泥板的工作条件、失效方式及性能要求
汽车挡泥板位于汽车轮胎的前方，当汽车行驶时，由于汽车的碾压而溅起的石子可能会打破挡泥板，是挡泥板失去应有的作用。因此挡泥板的材料需要有较强的强度可韧性。
在阴雨天气，挡泥板上会沾上一些污水和污物，这些污水和污物可能对挡泥板产生一定的腐蚀作用。因此，汽车挡泥板的材料必须具有耐腐蚀性。
挡泥板是暴露在空气中工作的，大气中的一些物质可能会与挡泥板发生一些反映，使挡泥板老化腐烂。因此，汽车挡泥板必须要有一定的抗老化性。
现在的汽车都追求轻量化，以减少燃油的损耗。因此，挡泥板的材料在保证其性能的前提下密度要尽可能的小。
在环境日益严峻的今天，环境污染是每个国家都极其重视的问题。因此，挡泥板在生产加工上应当要尽可能的减少环境污染。
由于挡泥板的工作条件限制，所以挡泥板所用材料的热、机械和化学性能必须在预期使用条件下始终符合要求，即良好的可加工性。
3 汽车挡泥板材料的选择
汽车挡泥板的工作条件极其恶劣，要求其材质具有耐寒、耐磨、耐应力开裂、耐大气老化、耐溶剂和耐化学药品腐蚀等性能，以适应抗冲击、抗老化、防破碎等方面的要求，同时还要达到轻量化以及便于加工等条件。满足这些条件的材料主要有金属中的低碳钢板和复合材料中的玻璃纤维增强聚丙烯（GMT）。它们的性能较为稳定，而且也能够满足挡泥板在各种使用条件下的性能要求。
金属材料中的低碳钢板经过热处理及表面处理（电镀、喷涂等）后，其性能稳定，便于机械加工，安装也较为简单，是制造汽车挡泥板的理想材料之一。复合材料中的GMT不仅具有以上的性能，而且密度比钢板更小，可以直接加工为成品，不需要表面的处理，能够大大的降低生产成本。同时GMT为复合材料，材料可以回收再利用，生产加工过程中产生的污染也更加的少。
GMT是玻璃纤维毡增强热塑性塑料片材的英文简称( Glass Mat Reinforced Thermoplastics Sheet),其所用基体树脂主要是聚丙烯( PP)树脂,玻璃纤维的含量一般在20%～45%( 质量分数) 之间,属于热塑性复合材料，与传统的热固性复合材料相比,其成型周期短、韧性好、密度低 、可回收利用 ,被称为21世纪绿色工业材料，是目前国际上极为活跃的复合材料开发品种。被视为世纪新材料之一。
轻质高强度的GMT片材，通过结构优化设计，可取代部分金属材料，获得显著的减重效果，而且节省模具费用，（仅为金属冲压模具的10～20％），并有利于多种零件组合，形成模块化生产方式。用GMT片材可较原金属件减重30～80％，能耗仅为钢制品的60～80％，铝制品的35～50％，价格低于同体积的金属制品。因此GMT是现今乃至以后制造汽车挡泥板的理想材料。
4成型方法
玻璃纤维增强聚丙烯（PP/GMT）片材可通过压缩模塑（Compression Molding）制造较大、较轻和形状复杂的部件，且尺寸稳定性好。因为 GMT成型制品仅需要物理加工，所以生产周期短、生产效率高和 SMC相比生产成本低[1]。GMT 模压一般都是薄壁件，厚度方向尺寸远小于其它两个方向。针对某些国产越野车挡泥板的试制，在有效减少设备的投入下，对GMT 成型挡泥板产品的工艺制度进行了研究，生产出了合格的制品。
5工艺条件
挡泥板选用 GMT片材模压成型，由 3个相互垂直面组成。产品的厚度仅为 3mm，但是长度达到了约 600mm，在模具中的垂直高度差将近 200mm，特别是其中一个吊耳宽仅 25mm，但是长度却有160mm，形状较复杂。所用 GMT片材采用美国 Azdel公司干法成型片材，基本性能见表 1。
表 1 GMT干法片材的典型性能
玻纤质量分数
密 度
抗弯曲强度
抗弯曲模量
抗拉伸强度
抗拉伸模量
断后延长率
热变形温度
/ %
/(g.cm3)
/ MPa
/ GPa
/ MPa
/ GPa
/ %
/ ℃
4 0
1 .1 9
16 0
5.5
9 5
7.0
2
16 5
6 GMT材料的回收利用
GMT材料另一个重要特点是可回收利用，现已以批量生产的规模在汽车中进行试验,并已取得了良好的结果，方法大体如下：对回收的GMT部件进行加热,再模压成同等质量的同类部件或其它类型部件,可对其重复模压两次而不会明显降低性能,但若重复利用在4次以上, 则性能会有较大下降 。
对回收的GMT进行粉碎,并制成GMT粉料或粒料。这种粒料非常类似于标准注塑料,可用作注塑机或挤出机的原料。在GMT制造过程中, 通过GMT粉料或粒料取代部分PP和玻璃纤维毡来制作GMT。回收GMT料的加入量在10%(质量分数)以下时,不会影响GMT的加工性能及静态和动态性能。回收GMT在30%(质量分数)以下时,不会影响其基体性能。
在GMT回收利用中,不论采取任何加工方法,最大限度地保持玻璃纤维长度,对于保持其最佳性能至关重要。
7 汽车挡泥板的发展现状
在欧洲，由聚丙烯（PP）制成的玻璃毡片增强型热塑料（GMT）主要用在汽车工业中表面积大的元件中。在1999年，欧洲和全球分别加工量分别约为3.4万吨和6万吨。一半以上的GMT材料零件是噪音屏蔽、车前部和车内结构。
未来的轿车将越来越轻和便宜，而同时也要承受更严格的安全、舒适度和设计上的要求。这也就要求在高强度结构件中更多地利用聚合物和复合材料。在这个方面 GMT材料是一种重要的技术。现在的座椅、仪表板等都已是由GMT做成的。它们必须能够吸收相当的负荷和在碰撞时产生的一部分冲击能量。GMT不仅提供极佳的性能(模量、强度、抗冲击、密度等)，而且依靠流塑工艺，它能很容易被加工成复杂零件，这是它的一个优势，也使低成本、大批量地生产大表面积结构件成为可能。在过去的几年中，GMT已取得了许多的发展和进步，能够满足现在和将来的需要。
8 结论和展望
  GMT和由纤维增强塑料制成的板状半成品零件的潜力还远远没有发掘出来。新的材料概念层出不穷，使低成本、高产量地生产大面积结构件成为可能。这意味着已经可以得到大范围的热塑性、纤维增强型半成品、其性能多样。同时一些特殊产品，如着色GMT和天然纤维增强型塑料（NMT）也可获得。在不久的将来，大量传统的GMT应用必将被低成本的技术和材料所代替，如LFT（长纤增强塑料）。与标准GMT相比，LFT有其缺陷，特别在冲击强度方面。为能向潜在的LFT用户提供有竞争力的半成品，目前正在开发低成本的GMT产品，这将有助于降低零件成本。已经展开的开发工作包括类似轻质GMT和阻燃GMT的特殊产品，这就为GMT敞开了更大的应用领域。

参考文献
[1] 陈二龙,周玉, 陈辉等.GMT材料制造与应用研究进展[J].宇航材料工艺, 2002, 32(3): 11－15.
[2] 曹宏深,赵仲治等.塑料成型工艺与模具设计[M]. 北京机械工业出版社, 1993.
[3] 戴干策等.玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)的压缩模塑[J]. 化工进展, 1994, 13(4): 22－23.
[4] 吕赤炎 . 国外GMT的发展动向(下). 玻璃纤维 ,1997：(3):18～23.
[5] 刘雄亚,谢怀勤.复合材料工艺及设备[M].武汉工业大学出版社, 1994.