有机玻璃板厚度标准(「材料·科普」一文了解有机板)

Posted 2023-05-29

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有机玻璃板厚度标准(「材料·科普」一文了解有机板)

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01 有机板简介

有机板(organo sheet)，是由连续纤维（如：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）和热塑性树脂（如：PP、PA、PEEK等）为原料加工形成的复合板材，它一般先做成连续纤维增强热塑预浸片材再通过层叠复合热压而成，结构组成如图1所示。有机板属于性热塑性复合材料。

图1 有机板结构示意图

根据复合材料中基体树脂种类不同，汽车用复合材料一般分为热固性(Continuous Fiber Reinforced Thermosets, CFRTS)和热塑性(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics, CFRTP)两种。目前占据市场主导地位的CFRTS存在着一系列问题，如预浸料储存条件苛刻、成型周期长、生产效率低、自动化程度低、成本较高、冲击性能差、工艺过程释放挥发性有机化合物、边角料及废品回收困难等，配套生产线用关键设备昂贵；汽车生产工艺链和产品供应链的综合成本高而难以实现量产，导致 CFRTS在汽车结构件上应用遇到很大的局限性，严重阻碍了复合材料在汽车工业的广泛应用。

与CFRTS相比CFRTP具有众多优点，如1.预浸料可长期保存，不需冷藏；2.环保可回收；3.冲击性能优于CFRTS；4.成型效率快；5.制造成本低等，如图2所示。纤维增强热塑性复合材料制备技术以适应交通运输轻量、高速、节能、环保以及低成本等一系列要求而成为汽车界主流技术之一，具有十分广阔的市场前景。因此，当前世界主要汽车制造商在未来汽车技术蓝图中，都大量地采用纤维增强热塑性复合材料，实现轻量化突破。采用以 CFRTP为代表的有机板量产制造技术将突破传统CFRTS工艺、性能和成本的局限性，实现了低成本化、连续化、自动化、热塑化、绿色环保，已成为汽车工业用复合材料的主要发展方向及发展趋势之一。

图2 CFRTP和CFRTS的对比

CFRTP的各项力学性能大大优于普通改性塑料，拉伸强度和线膨胀系数优于铝合金，如图3所示。

图3 CFRTP与其它材料的性能对比

02 有机板的制造

图4 有机板制造的各种状态

图4展示了有机板整个制造过程的各种状态，首先是热塑性树脂和玻玻离纤维通过熔融、粉末或者溶液浸渍等工艺生产出连续纤维增强热塑性预浸片材，厚度一般为0.1mm~0.5mm，宽度一般小于1500mm,形态一般为卷状，一卷可达上千米，然后预浸片材通过多道复合和裁切工序生产出有机板，形态一般为板材（长宽为数米以内），最后是通过模压或者模压注塑一次成型工艺生产出有机板制件。如图5所示的有机板制造工艺的全流程。

图5 有机板制造全流程

对于有些简单的有机板制件，不需要通过注塑筋位结构来形成复杂的结构，可在做出有机板半成品后直接通过模压成型来完成最后一步的生产(见图6)。对于有复杂结构的产品(如带有加强筋、连接孔等，见图7)，也可使用定制模具在模压后立刻进行注塑成型，模压注塑生产工艺如图8所示。

图6 模压结构图[4]

图7 模压注塑结构图[5]

图8 模压注塑生产工艺图[6]

03 有机板的应用

1、汽车制造

有机板在汽车领域的应用早在10多年前就开始，如图9所示，从图中可以看出有机板已经用在了有承力要求的结构件和半结构件上，而不是以往人们一般认为的塑料件只能用于没有负载要求的外饰件上，这得益于有机板具有轻质高强的特点，密度小1.1~1.6g/cm3，仅为钢材的1/5~1/7，单向拉伸强度却达到800MPa以上，是普通钢材的2倍以上。

图9 有机板在汽车领域的应用[7]

2、航空航天

在航空机体结构件中，有机板主要应用在地板、前缘、控制面和尾翼零件上，这些零件都是外形比较简单的次承力构件。空客A380客机、空客A350客机、湾流G650公务机和阿古斯塔·韦斯特兰AW169直升机都是热塑性机体结构件的应用大户。空客A380客机上最重要的有机板结构件是玻璃纤维/PPS材料的机翼固定前缘。空客A350客机机体的有机板主要分布在可移动翼梁和肋上以及机身连接。湾流G650公务机在有机板应用方面是一个里程碑，它的压力隔框肋板则使用了碳纤维/PEI材料，而方向舵和升降舵都使用了碳纤维/PPS材料（图10为湾流G650公务机）。