LFT材料性能及应用概述

姚其海

摘 要：LFT（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic长纤增强热塑性材料，简称LFT）材料是一种长纤维增强热塑性材料，相对于传统的金属材料，具有更高的设计自由度，更高的比强度和比模量及耐腐蚀性等特点，在汽车制造领域已广泛地替代钢制材料、铝合金等传统材料，应用范围越来越广，用量也呈现逐年增加的态势。文章着重介绍了LFT材料的分类、性能特点及应用状况。

关键词：LFT;性能;应用

中图分类号：TB37  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-166-03

Abstract： LFT（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic）material is a kind of long fiber reinforced thermoplastic material. Compared with the traditional metal materials， it has higher design freedom， higher specific strength and specific modulus and corrosion resistance. It has been widely used in the field of automobile manufacturing to replace the traditional materials such as steel materials and aluminum alloys. Its application scope is more and more extensive， and its consumption is also increasing year by year. This paper mainly introduces the classification， properties and application of LFT materials.

Keywords： LFT; Properties; Applications

CLC NO.： TB37  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-166-03

1 前言

20世界70年代以来，随着能源危机的影响日益加深，汽车节能环保和及以节油为目的的轻量化呼声越来越高，多种以汽车为载体的轻量化材料获得了巨大的发展。LFT材料是纤维增强热塑性材料中一种新型的轻量化材料，从20世纪80年代开始，欧美就对该类材料开展研究工作，并不断推动产业化。21世纪以来，随着我国汽车工业的高速发展，对该类材料的研究及应用开发逐渐也成为热点，已成为通用塑料工程化和高性能化的典型案例。

2 LFT分类

一般情况下，短纤维增强热塑性塑料由于在挤出机中的加工及零部件注塑成型过程中，会造成纤维形态的破坏，零部件中纤维长度一般不超过1mm;在LFT材料中，能够将零部件的纤维长度保持在5mm以上。因此LFT材料具有更高的比强度、比模量和抗冲击性强等特点。LFT材料的出现对汽车行业中传统的钢铁材料、铝合金以及传统的纤维增强热固性材料带来了新的挑战。

进入21世纪，LFT材料所涉及的相关成型加工设备和工艺都获得了很大的发展，对该类材料研究及其推广应用起到了巨大的推动作用。LFT是一个广义的名称，一般是指采用长度超过10mm的纤维（常用的如玻璃纤维）和热塑性塑料（常用的如聚丙烯）用专用的设备进行混合制备而成的材料及其相关技术，如：GMT（Glass-Mat Reinforce Thermo -plastic玻璃纤维毡增强热塑性材料）、LFT-G（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Granules长纤维增强热塑性塑料颗粒）、LFT-D（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct Processing长纤维增强热塑性直接成型）等皆属于LFT范畴[1]。

2.1 GMT

GMT材料是以长玻璃纤维毡或连续玻璃纤维毡和热塑性树脂（常见的为PP）复合而成的一种复合材料。20世纪70年代，由美国的PPG公司和GE公司率先实现工业化生产。[2]如今，GMT材料及其产品已经成为应用最广泛的复合材料之一。

目前，GMT材料的生产主要有两大工艺途径：即熔融浸渍法（干法）和抄纸法（湿法）。干法为最常用的一种工艺方法GMT材料通常为五层的夹心结构，三层热塑性树脂和两层玻璃纤维毡以“树脂-毡-树脂-毡-树脂”的顺序辊压而成。因此，调整玻璃纤维毡的种类和取向结构并选择不同的热塑性树脂，可以得到各种性能和特点的GMT材料。[3]而抄纸法是将长度为6mm到25mm的短切纤维、PP粉和其他助剂分散在水中，均匀分散后，祛水烘干，将干燥后的材料在PP的熔点之上进行热压复合。

GMT制品的生产主要模压成型来生产，是通过对片材的裁割、预热、模压、脱模等一系列工序而完成的。GMT在汽车上的主要用途是后防撞梁，座椅骨架等。[4]

2.2 LFT-G

LFT-G是由短纤维增强热塑性颗粒材料（FRTP）发展而来。由于技术和设备的限制，早期的FRTP材料经过挤出、切粒、熔融塑化、注塑成型等工艺流程后，在最终的制品中，其纤维的长度通常不超过1mm，纤维的增强作用被大大削弱，对材料整体的拉伸性能、弯曲性能和抗冲击性能的提高十分有限。

LFT-G材料的出现可以尽量减少材料在加工过程中對纤维结构的破坏，最大限度保留纤维的长度，提高产品性能。LFT-G材料与GMT材料有着相似的生产工艺和技术，需要经过颗粒材料的成型和制品型两个阶段。LFT-G粒料的尺寸根据其后续的成型工艺不同，通常有25mm和12mm，其中25mm长度的颗粒主要用于模压成型，而12mm的粒料主要用途为注塑成型。用于注塑LFT-G材料的注塑机大多经过改进，可以最大限度保留纤维长度，产品中纤维的保留长度通常在3--6mm，比FRTP材料大大提高，因此产品的拉伸、弯曲性能、抗冲击性能都获得了明显提高。

2.3 LFT-D

虽然LFT-G材料的制品中纤维的长度大大提高，产品的性能也获得了长足的进步，但在某些场合仍难以满足汽车轻量化设计的要求。LFT-D是长纤维增强热塑性复合材料直接成型技术，与GMT和LFT-G两种材料相比，其最大特点是一步成型，省去了半成品步骤，生产制造效率更高。

在LFT-D技术中，由于是一步法成型，其复合材料的组成及性能要求，可以根据最终产品的特点及生产过程中的实际情况进行调整。增强所用的纤维也可以根据产品的需要改变其在复合材料中的配方含量和长度。对于零部件的某些特殊的要求 ，如热稳定性能、阻燃性能、耐老化性、可着色性、吸水性等，可通过直接在线添加其他改性助剂的方法来改善最终制品性能，从而满足这些特殊的要求。

LFT-D相对GMT和LFT-G具有显著的优点：一是更低廉的成本。LFT-D采用的是一步法直接成型，生产效率更高，比采用两步法生产的GMT或LFT-G单件成本下降20%～50%;二是更优异的产品综合性能。由于其产品中的纤维长度大大超过LFT-G成型后的制品，因此其产品的抗冲击性能显著优于LFT-G。

3 LFT的性能特点

LFT由于在热塑性聚合物中加入了长纤维作为增强相，因此其具有优异的物理力学性能。 LFT的机械性能与增强纤维的种类及含量密切相关。以汽车用LFT材料为例，汽车用LFT材料通常以玻璃纤维作为增强纤维;按占复合材料的重量比，其LFT材料中的纤维的占比通常在5%～60%。[1]此外，LFT材料的机械性能还与纤维的长度密切相关。与短纤维（纤维长度一般不超过1mm）增强热塑性材料相比，LFT材料在拉伸、弯曲强度、抗冲击性能等方面都有巨大的优势。相对于传统的金属材料及热固性的纤维增强材料，具有突出的优势，因此在汽车内外部的结构件和半结构件上获得了广泛的应用。[1][4]

3.1 更低的密度和更高的比强度

常见的汽车用LFT材料中玻璃纤维的含量为5%-60%，其材料的密度为0.94～1.5g/cm3，仅为钢材的1/5～1/8左右，可以以较低的单位质量获得较高的机械强度。

3.2 更高的设计自由度

LFT材料主要由基体树脂、玻纤、添加剂组成，选择不同的基体树脂，不同的玻纤及含量，不同特性的添加剂，进行复合材料的生产，就可以得到机械性能、化学性能和物理性能各不相同的LFT材料。因此，LFT材料具有极高的性能设计自由度。

3.3 更高的耐热性及尺寸稳定性

常见塑料的使用一般不超过100℃。通过添加玻璃纤维进行增强，可以大幅度提高热塑性材料的使用温度，大多可以提高到100℃以上，一些特殊树脂的LFT材料长期使用温度可提高到200℃甚至更高;其产品的尺寸稳定性也显著提高，线膨胀系数比未增强的塑料低1/4～1/2。

3.4 更好的耐化学腐蚀性

相对于传统的金属材料，LFT复合材料及其制品具有优异的耐化学腐蚀性能。由于LFT材料主要由基体树脂和纤维材料组成，常见条件下均是具有较高耐化学腐蚀性的材料。因此，LFT产品特别适合替代金屬材料应用在某些具有较高化学腐蚀性的场合。

3.5 废料能循环利用

LFT可重复加工成型，加工过程中产生的不合格品以及边角料可以重复循环利用，不会造成废弃物和严重的环境污染。

4 LFT在市场上的应用

如今的汽车制造业更加注重产品节能降耗，各种轻量化的技术也不断应用于汽车及零部件的制造中。因此具有高比强度的LFT材料就逐步成为汽车零部件制造的重要材料，如前端框架、后防撞梁、座椅骨架、车门模块等。[5]据统计，汽车行业LFT材料的消耗量约占总消耗量的80%，成为用量最大的领域。

国内对LFT材料的研究始于20世纪80年代，但材料的应用开发相和产业化进程相对滞后。随着国内汽车工业的蓬勃发展 ，也拉动了上游配套企业的发展。目前，国内在GMT、LFT-G和LFT-D等领域都开发成功了具有自主知识产权的产品，并具备了一定的生产能力。

2014年全球LFT材料及制品的市场需求量约为21万吨，销售额为8.2亿美元，其中GMT约占总销售额的50%，LFT-G约占35%，而LFT-D仅占15%。汽车行业仍然是LFT主要的应用领域，也是增长最快的领域。随着随着全球新能源汽车行业的带动和新材料、新工艺、新技术的普及和推广，2014～2020年LFT的市场的年均增长率预计可达12%，除GMT以外，其他类别LFT产品的销售量每年将增长15%，其中LFT-D的增长速度会更快。预计到2022年，全球汽车用LFT材料市场的年销售额预计将超过18亿美元左右。

5 结束语

随着化石能源的日益枯竭，汽车轻量化和节能减排已作为汽车行业发展的方向和重要标志。LFT在很多领域可以替代钢材、铝合金以及热固性复合材料，是一种新型的材料。在汽车轻量化不断发展的大环境下，LFT材料必将引领汽车复合材料的发展方向。

参考文献

[1] 蒋鼎丰.纤维增强聚合物助汽车轻量化[J].汽车与配件，2007（19）：25.

[2] 魏丽霞，马鸣图，杨洁.长纤维增强热塑性复合材料在汽车轻量化上的应[J].新材料产业，2013（9）：45.

[3] 陈二龙，周玉.GMT材料制造与应用研究精湛[J].宇航材料工艺，2002年第3期.

[4] 施辉忠.GMT材料及其应用[J].国外塑料，2014（3）：42-43.

[5] 高国强.LFT工艺在汽车工业中的应用[J].现代塑料.2011（8）：38- 40.