汽车用玻璃钢材料及其制造工艺和国内发展趋势分享

汽车用玻璃钢材料及其制造工艺和国内发展趋势分享

相信不少小伙伴们对于汽车设计都非常感兴趣，不管是汽车手绘还是汽车建模，乃至概念设计都不会放过，那么对于汽车cmf设计，汽车材料设计你又有什么想要了解呢？其实汽车设计本身是一个综合度比较高的类别，里面涵盖各种学问和艺术，尤其是里面的各种材料设计知识。下面优概念工业设计为大家分享汽车用玻璃钢材料及其制造工艺和国内发展趋势，一文带你了解汽车用玻璃钢材料设计常识。

当前，世界汽车材料技术发展的主要方向是轻量化、环保化。减轻汽车自重是降低汽车排放、提高燃烧效率的最有效措施之一，汽车自重每减少10%，燃油的消耗可降低6%～9%。因此轻质高强、耐腐蚀、加工方便、易于零部件一体化、降低制造成本、能有效缩短开发周期的玻璃钢（树脂基复合材料）制品的应用越来越受到整车生产厂的重视，并成为汽车结构的理想材料，特别是在车身大型覆盖件方面已获得较广泛应用。

国内从50年代末就开始将复合材料应用于汽车工业，但总体发展速度缓慢，生产工艺以手糊为主。进入90年代，由于SMC、BMC、RTM等机械化生产工艺的引进和发展，复合材料用量逐步增加，应用范围也得到了扩展。但由于行业之间的阻隔和技术水平的限制，复合材料在汽车行业并未得到应有的认识和重视，手糊工艺仍然占据主导地位。

玻璃钢制品是由树脂、增强材料和多种辅助成分合理组合而成，制造工艺种类繁多。

 一  FRP制品成型工艺 

FRP的制品往往是材料制造和产品成型同时完成。成型工艺有手糊、RTM、SMC、缠绕、热塑性塑料（GF/PP）注射模塑及GMT冲压成型等。

1.1  手糊成型工艺

手糊成型工艺是一种简单成熟的成型工艺，其典型工艺过程是：在涂有脱模剂的模具上，将加有固化剂的树脂混合料和玻璃纤维织物手工逐层铺放，浸胶并排除气泡，层合至确定厚度，然后固化形成制件。

手糊成型技术的优点是：无需专用设备，投资少；不受制品形状和尺寸的限制，特别适于数量少、整体式及结构复杂的大型制品的制作；可以根据设计要求合理利用增强材料，能随意局部增强，做到以最低成本实现设计要求，而且当设计不合理时能方便地进行修改；操作方便，容易掌握，便于推广。

手糊工艺的缺点是：制品质量不易控制，人为因素大；制品的强度和尺寸精度较低；劳动条件差，生产效率低。

1.2  喷射成型工艺

喷射成型工艺是手糊成型的改进，属于半机械化成型工艺。它是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯树脂分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤粗纱由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上;当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品。

喷射成型的优点是：用玻纤粗纱代替织物，可降低材料成本；生产效率比手糊的高2～4倍；产品整体性好，无接缝，层间剪切强度高，树脂含量高，耐腐蚀、耐渗漏性好；产品尺寸、形状不受限制。

喷射成型的缺点是：树脂含量高，制品强度低；产品只能做到单面光滑；污染环境，有害工人健康。

1.3  SMC及BMC成型工艺

片状模塑料（Sheet Molding Comp，SMC）和团状模塑料（Bulk Molding Compoun， BMC）是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两边覆盖聚乙烯薄膜而制成的一类片状模压料，属于预浸毡料范围。使用时，将两面的薄膜撕去，按制品的尺寸裁剪、叠层，放入金属模具中加温加压，即得所需要的制品。它是目前国际上应用最广泛的成型材料之一。

SMC/BMC成型工艺的主要优点是：生产效率高，成型周期短，易于实现专业化和自动化生产；产品尺寸精度高，重复性好；表面光洁，无需二次修饰；生产成本低。

SMC/BMC的不足之处在于模具制造复杂，初期投资大。

1.4  RTM成型工艺

树脂传递模塑（Resin Transfer Molding，RTM）是以手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术，它的基本原理是将玻璃纤维增强材料放到封闭的模腔内，用压力将树脂胶液注入模腔，浸透玻纤增强材料，然后固化，脱模后成制品。

RTM成型技术主要优点是：可以制造两面光的制品；成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产（30000件/年以内）；RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；增强材料可以任意铺放，容易实现按制品受状况合理铺放增强材料；原材料及能源消耗少；初期投资少。

RTM缺点是：生产技术要求高；修整工序复杂。

1.5  拉挤成型工艺

拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化、连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。这种工艺最适于生产各种相同断面形状的玻璃钢型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片等）等。

拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是：生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；拉挤成型制品中纤维含量可高达80％，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度可任意调整可以满足不同力学性能制品的使用要求；生产过程中无边角废料，产品不需后加工，故较其它工艺省工，省原料，省能耗；制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。

拉挤成型工艺的缺点是:产品形状单调，只能生产线形型材，而且横向强度不高。但近年来使用纤维布和复合毡拉挤后横向强度得到了提高。

1.6  热塑性复合材料成型工艺

热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强各种热塑性树脂的总称，国外称为FRTP（Fiber Rinforce thermoplastics）。从生产工艺角度分析，热塑性复合材料分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料两大类。短纤维增强热塑性复合材料的研究和生产始于50年代。进入70年代后，热塑性复合材料得到快速发展，美国、法国的公司研究成功连续纤维增强聚丙烯片状模塑料。近10年来，热塑性复合材料发展很快，每年以15％速度递增，比热固性复合材料发展快几倍。

1.7  近年发展起来的新型成型工艺

1.7.1  SMC和RTM工艺的结合（LPMC）

SMC工艺和RTM相比较，虽然有成型压力大、能耗高、设备维修费用高等不足之处，但SMC是一种技术较完善的干法制造FRP的成型工艺。美国公司开发了一种LPMC(low pressure molding Compromal)工艺，它将RTM的低压低温和SMC的工艺结合起来。形成在RTM条件下即可生产出性能和SMC相似的新工艺。RTM部件可以部分替代钢制部件。

1.7.2  TERTM

TERTM (热膨胀树脂传递模塑料）使用聚氨酯、PVC聚氨酯泡沫等作为预成型坯中的芯材，在注射过程中树脂同时渗入芯材和预成型坯中，芯材在加热条件下发生膨胀，进而与增强材料(碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维)及环氧树脂结合形成复合材料。既减轻了制品重量，又提高了强度。具有理想的扭曲强度和良好的尺寸稳定性，膨胀系数低，可制造汽车防撞档板。美国、加拿大、日本、西欧等国家和地区的TERTM都有专利，技术处于领先水平。

1.7.3  VARTM

为了在注射时改善模具型腔内树脂的流动性浸渍性,更好地排尽气泡，出现了腔内抽真空，再用注射机注入树脂的VARTM技术，基本原理和RTM工艺是一致的，适用范围也类似。

模腔内抽真空使压力趋势减小，增加了使用更轻型模具的可能性，从而使模具的使用寿命更长、可设计性更好；真空也可提高玻璃纤维与树脂的比率，使玻璃纤维的含量更高，增加制品的强度；真空还有助于树脂对纤维的浸润，使树脂和纤维的结合界面更完美，提高制品的质量；用VARTM工艺可使直径38.11mm的致密预成型坯的纤维体积含量为16% ～ 68％，累计孔隙率为1.7％，而普通的预浸料的孔隙率为5%～7％。

1.8  低密度SMC玻璃钢材料的应用

低密度SMC玻璃钢材料的比重为1.3，比标准的材料（比重为1.8～2.0）重量轻38%以上。美国通用公司的所有克尔维特99款车身的内板和新型的车身顶盖、内饰都使用低密度SMC玻璃钢材料；另外，还有车门、发动机罩、行李箱盖等美国Dodge Vipex车的发动机罩也使用了低密度SMC玻璃钢材料，99款车身有1/2使用这种材料制作发动机罩。

 二  复合材料成型中的各类增强材料、各类辅料及各类助剂 

2.1  助剂

消泡剂,能够在凝胶之前消除因搅拌产生的气泡；润湿分散剂,改善体系的流动性，稳定颜色，能基本避免加填料或颜料产生的浮色发花现象；触变助剂,能满足喷涂过程对低黏度高触变指数的要求；表面助剂,可解决制品表面发粘，可减少苯乙烯的挥发。

2.2  脱模剂

便于脱模，优质脱模剂不会影响制品的后涂装；在使用双面模时能增加树脂的流动性、玻纤的浸润性等特性。

2.3  增强材料

毡类制品（改善表面效果、提高多种强度）、纤维类制品常用，如玻璃纤维、碳纤维等）、连续毡（对改善表面效果有突出的效果、提高制品的耐候性）。

2.4  辅料

辅料有胶衣、固化剂、促进剂、添加剂、抛光膏、气相二氧化硅、紫外线吸收剂等。

 三  国内汽车的玻璃钢材料使用情况 

玻璃钢具有质轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘、耐瞬时高温、传热慢、隔音、防水、成型方便、具有可设计性（可实现复杂的设计结构）等优点，广泛应用于保险杠、车身顶盖、导流板、遮阳罩、电瓶箱、挡泥板、前脸零部件、车身裙边零部件、车身壳体等。

 四  国内复合材料在汽车工业的应用中存在的问题和前景展望 

与发达国家相比，我国复合材料在汽车上的应用比例非常低。美国1997年复合材料总用量为155万吨，在汽车行业中的用量占46％。为49.8万吨，而我国2000年的用量仅为1.8万吨。国外复合材料应用较成功的国家，常常是以大的汽车集团牵头，根据市场和自身发展的需要，进行技术研究和产品开发，在资金和人力资源上都有非常大的投入，技术的转化比较直接。因此，新兴的复合材料成型工艺如RTM、GMT等，经过短短十几年的发展，已变得很成熟，成功地应用于各种汽车部件的生产。RTM生产效率可以和SMC相媲美，GMT的生产效率已缩短到一分钟以内。

我国复合材料应用与汽车工业历史并不算短，但发展速度很缓慢。其原因是多方面的，一方面是由于行业之间的封闭，使得汽车生产在设计之初就很少考虑复合材料的使用；另一方面，国内复合材料生产企业技术水平层次不齐，与国外还有着很大的差距，尤其是手糊产品质量不高，使得汽车行业的很多人士对复合材料的应用持不信任态度；再者，复合材料在汽车行业的应用，相对投资较大，风险较高，在市场不容易认可的情况下，企业也不愿意投资进行技术研究；第四，复合材料制品普遍比金属材料（主要是钢材）制品的价格要高，不易被汽车企业所接受。

因此，要提高国内复合材料制造水平，推广复合材料在汽车工业中的应用，需要做好以下几方面的工作。

a.加强行业间沟通，正确认识复合材料

复合材料作为新材料的代表，有着很多自身的优势，在汽车制造领域都有非常适用的场合。利用行业协会和学会的权威作用，组织技术交流，使汽车行业人士对复合材料能够有全面的认识，做好复合材料的系统推广工作，如市场调研、策划、质量、价格及服务等，建立起产品结构、规模、质量、效益相协调的科技工业体系。

b.提高复合材料工业技术，使之适于汽车工业发展

首先完善现有的工艺技术，尽快解决原材料的国产化配套，解决复合材料生产设备、模具及其他工装的加工配套问题。原材料是基础，我国复合材料产品质量水平不高，很大程度上是由于原材料质量不高造成的。模具和专用设备的发展相对滞后，也影响产品的应用。因此，各个行业需要紧密协作，结合引进原材料、生产技术及国产化攻关，为各种成型工艺解决配套问题。

c.建立一定权威性的协调组织，加强宏观控制和科学管理

通过具有定权威性的协调组织，承担可行性研究，组织技术攻关，使各种材料在设计之初就考虑到性能、制造成本和对整车的影响，充分发挥不同材料和不同成型工艺的优点，使复合材料在汽车工业中真正发挥作用。

d.降低复合材料制品的价格，使之适合于国内汽车企业的实际情况

复合材料制品的价格主要取决于原材料的成本（各类树脂、增强材料、添加剂及各类助剂）、工艺成本和劳动力成本。生产企业和各类研究机构应在此三方面做长期、深入的工作，避免短期行为。

随着汽车行业的发展，整车生产厂越来越重视整车的轻量化以降低燃油效率损耗。玻璃钢材料及其制造工艺研究的进一步深入，可以预料比重小的玻璃钢材料将在汽车工业上的应用越来越广泛。其重要性不言而喻，开发并使用全玻璃钢车身已不是梦想。