LFT是纖維增強(qiáng)聚合物領(lǐng)域的一種新型高級(jí)輕量化材料，具有可設(shè)計(jì)性、低密度、高比強(qiáng)度、高比模量和抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)，它的出現(xiàn)對(duì)鋁合金、纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)，逐步成為制作汽車(chē)零部件的主流材料。
LFT是英文Long-FiberReinforceThermoplastic的簡(jiǎn)稱(chēng)，中文譯為長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料，又習(xí)慣稱(chēng)之為長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，它是纖維增強(qiáng)聚合物領(lǐng)域的一種新型高級(jí)輕量化材料。
在過(guò)去的20多年時(shí)間里，能源危機(jī)和石油漲價(jià)促使汽車(chē)輕量化逐步成為新型汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，也使得人們將注意力轉(zhuǎn)移到了LFT低密度材料的研發(fā)上，LFT的材料性能和加工技術(shù)也不斷得到改進(jìn)。
目前，LFT已成為一種可以挑戰(zhàn)鋁合金、纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的汽車(chē)輕量化新材料，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)報(bào)道，在最近的幾年中，采用LFT制造的汽車(chē)產(chǎn)品的市場(chǎng)份額增加了15%左右，并保持強(qiáng)勁的上升趨勢(shì)，這一現(xiàn)象已引起業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士的極大關(guān)注。
什么是LFT
LFT是一個(gè)廣義的塑料專(zhuān)用詞匯，在汽車(chē)復(fù)合材料工業(yè)中有一個(gè)非正式但卻約定俗成的定義，即指長(zhǎng)度超過(guò)10mm的增強(qiáng)纖維(一般是玻璃纖維)和熱塑性聚合物(一般是聚丙烯)進(jìn)行混合并生產(chǎn)而成的制品。例如：GMT(Glass-MatReinforceThermoplastic)、LFT-G(Long-FiberReinforceThermoplasticGranules)、LFT-D(Long-FiberReinforceThermoplasticDirect)等皆屬于LFT范疇，具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量和抗沖擊性強(qiáng)等特性。
LFT材料的機(jī)械特性與增強(qiáng)纖維的材性和所占比例有關(guān)。汽車(chē)用LFT增強(qiáng)纖維通常為玻璃纖維，理論上這種玻璃纖維在制品中的比例可以達(dá)到10%～80%(指重量比)，而實(shí)際上常用玻璃纖維的比例通常為20%～40%。此外，LFT的機(jī)械特性還與增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度有著密切的關(guān)系。與相類(lèi)似的短纖維(纖維長(zhǎng)度約小于1mm)增強(qiáng)注塑成型熱塑性復(fù)合材料相比，LFT材料無(wú)論在強(qiáng)度、抗撞擊性能、能量的吸收率等方面都得到了很大提高。因此，這些特性也為L(zhǎng)FT在要求更為嚴(yán)格的汽車(chē)內(nèi)外部的結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，成為受汽車(chē)行業(yè)青睞的主要原因之一。
LFT的幾種主要材料
近些年來(lái)，LFT材料的性能和成型加工工藝都有了很多新的進(jìn)展：應(yīng)用較為普及的材料大致可以歸納為三大類(lèi)――GMT、LFT-G和LFT-D;較為成熟的成型技術(shù)有壓塑成型和注塑成型，其中GMT材料為壓塑成型，而LFT-G和LFT-D既可以壓塑成型，也可以注塑成型，這需要根據(jù)制品的具體技術(shù)要求、成本、產(chǎn)量規(guī)模等因素進(jìn)行選擇。
在20世紀(jì)70年代，GMT首先在歐洲得到廣泛應(yīng)用，而進(jìn)入80年代后期，GMT片材及其制品已成為國(guó)際上極為活躍的復(fù)合材料制品之一。GMT片材是指以連續(xù)玻璃纖維氈或短切玻纖氈和熱塑性樹(shù)脂(大多是PP樹(shù)脂)復(fù)合而成的一種片狀模塑料，通常是兩層玻璃纖維氈復(fù)合三層熱塑性樹(shù)脂薄膜層。采用不同類(lèi)型的玻璃纖維氈和不同品種的熱塑性樹(shù)脂做基體，就可以得到多種多樣的GMT材料。
GMT復(fù)合材料制品的生產(chǎn)需要兩個(gè)成熟的加工技術(shù)：片材(預(yù)浸漬)的成型和制品的壓塑成型。制品的壓塑成型需要通過(guò)片材的再次裁割、預(yù)熱、模壓、脫模一系列工藝過(guò)程才能完成加工。
GMT產(chǎn)品具有很多優(yōu)異的性能，如耐化學(xué)性好，強(qiáng)度/重量比大，在高、低溫環(huán)境中的抗沖擊性能優(yōu)良等。GMT的最大單項(xiàng)用途是汽車(chē)前端模塊框架，其次為座椅骨架、吸能內(nèi)保險(xiǎn)杠等。圖1為RANGER公司新開(kāi)發(fā)的用GMT生產(chǎn)的2005藍(lán)旗亞Y-Epsilon車(chē)門(mén)中間板骨架。
LFT-G是短玻纖熱塑性顆粒材料(FRTP)技術(shù)創(chuàng)新的成果。早期的FRTP粒料長(zhǎng)度雖然可達(dá)5～6mm，但經(jīng)過(guò)混煉、切粒、塑化、注塑等工藝流程后，在制品中纖維的最終長(zhǎng)度往往小于1mm，僅能作為填充劑增加制品的剛性，而對(duì)拉伸強(qiáng)度、抗沖擊性能的提高十分有限。因此，在當(dāng)時(shí)FRTP并非主流的復(fù)合材料。
為充分發(fā)揮注塑成型生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)勢(shì)，努力將斷纖程度降至最低，20世紀(jì)80年代初LFT-G誕生。LFT-G制品生產(chǎn)的工藝與GMT相似，也需要兩個(gè)成熟的工藝，即長(zhǎng)顆粒的成型和制品的注塑成型或壓塑成型。
LFT-G粒料的直徑大約為3mm，長(zhǎng)度有12mm和25mm兩種，其中12mm左右長(zhǎng)度的粒料主要用于注塑成型，而25mm左右長(zhǎng)度的粒料主要用于壓塑成型。在LFT-G粒料注塑成型過(guò)程中，盡管注塑成型機(jī)經(jīng)過(guò)很多改良，但限于注塑工藝原因，在最后的制成品中纖維只能達(dá)到3.2～6.4mm。雖然這個(gè)長(zhǎng)度比FRTP注塑成型的纖維長(zhǎng)，產(chǎn)品的抗沖擊性能也明顯提高，但是比LFT-D注塑或者壓塑成型的纖維要短，強(qiáng)度和抗沖擊性也比LFT-D差。圖2為用LFT-G生產(chǎn)的2004起亞 Cerato混合結(jié)構(gòu)前端框架。
LFT-D是長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在線直接生產(chǎn)制品的一種工藝技術(shù)，它區(qū)別于GMT和LFT-G的關(guān)鍵因素是半成品步驟被省去了，在材料的選擇上也更加靈活。在LFT-D技術(shù)中，不僅纖維的含量和長(zhǎng)度，而且連其基體聚合物也可以直接調(diào)整到最終部件的要求。通過(guò)添加劑的用量多少可以改變和影響制品的機(jī)械性能和特殊應(yīng)用材料的特性，如熱穩(wěn)定性、著色性、紫外穩(wěn)定性以及纖維與基體的粘結(jié)特性等，這也意味著每一種特殊應(yīng)用都可以通過(guò)LFT-D獲得其獨(dú)特的材料配方。
LFT-D典型的工藝是聚合物基體顆粒和添加劑被輸送到重量分析給料單元組合中，該單元根據(jù)部件的機(jī)械性能要求確保適度的混合。經(jīng)混合后的原料進(jìn)入雙螺桿擠塑機(jī)塑化，其熔融化合物通過(guò)一個(gè)薄膜模頭形成類(lèi)似瀑布的聚合物薄膜，直接進(jìn)入雙螺桿混煉擠塑機(jī)的開(kāi)口處。而玻璃纖維粗紗則通過(guò)特別設(shè)計(jì)的粗紗架，經(jīng)過(guò)預(yù)熱、分散等程序被引入到聚合物薄膜的頂端，與薄膜匯合一同進(jìn)入到雙螺桿擠塑機(jī)中，由螺桿切割粗紗，并把它們?nèi)岷偷鼗旌系筋A(yù)熔的聚合物當(dāng)中，然后直接送入壓制模具中成型(見(jiàn)圖3)。
LFT-D的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面：一是降低了成本。由于是一步法生產(chǎn)，LFT-D生產(chǎn)的大型結(jié)構(gòu)件比二步法生產(chǎn)的GMT或LFT-G壓制件的成本低20%～50%;二是制品綜合性能優(yōu)異。
LFT-D壓制成型制品的抗沖擊性能比GMT略低，但由于比LFT-G成型后的纖維長(zhǎng)很多，因此其抗沖擊性能明顯高于LFT-G。另外，據(jù)大量的研究表明，LFT-D注塑的生產(chǎn)率比標(biāo)準(zhǔn)的LFT-G粒料高，因?yàn)長(zhǎng)FT-D低的塑化要求改善了纖維發(fā)生斷纖的狀況。對(duì)于成型周期超過(guò)1min的部件用LFT-D注塑設(shè)備在30s內(nèi)就能完成。圖4為使用 LFT-D生產(chǎn)的2003 大眾 Golf V前端框架。
