復(fù)合材料應(yīng)用于汽車行業(yè)最早開(kāi)始于1953年，近年來(lái)，復(fù)合材料在汽車行業(yè)應(yīng)用中保持著持續(xù)增長(zhǎng)的發(fā)展勢(shì)頭，并且這個(gè)趨勢(shì)還將繼續(xù)朝著向上方向發(fā)展。復(fù)合材料的用量之所以會(huì)在汽車行業(yè)中持續(xù)增長(zhǎng)，是因?yàn)閺?fù)合材料具備了許多優(yōu)秀的性能，如：強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕，并且與鋁材和鋼材相比，加工成本更低、設(shè)計(jì)的靈活性更強(qiáng)、更容易成型等等。總之，復(fù)合材料是汽車行業(yè)替代金屬材料的一個(gè)很好的可選項(xiàng)。然而，事實(shí)上在汽車制造領(lǐng)域，其制作材料并沒(méi)有完全直接從金屬材料轉(zhuǎn)換到復(fù)合材料，尤其在大批量生產(chǎn)的汽車方面，復(fù)合材料的應(yīng)用還是很有限的，這是因?yàn)橛性S多和復(fù)合材料使用相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題仍然沒(méi)有很好地得到解決，其中包括準(zhǔn)確的材料定性、生產(chǎn)、油漆、維修、和金屬材料的連接以及回收等問(wèn)題。盡管近年來(lái)世界上復(fù)合材料的新材料、新工藝和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，從而在很大程度上使上述問(wèn)題得到了改善，促進(jìn)了復(fù)合材料在各類汽車中的廣泛應(yīng)用，但也不能否認(rèn)復(fù)合材料在汽車上的廣泛應(yīng)用特別是在中國(guó)汽車行業(yè)真正廣泛應(yīng)用仍然存在應(yīng)用技術(shù)方面的各類問(wèn)題，這需要我們?nèi)リP(guān)注，去研究，去探討，去實(shí)踐。

 

    汽車復(fù)合材料的涂裝

 

    在汽車工業(yè)中，汽車車身的外表油漆質(zhì)量是整車質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)檐嚿碛推岜砻娌粌H起到保護(hù)車廂不被腐蝕的作用而且對(duì)汽車美化外觀有著十分重要的影響。因此，盡管汽車生產(chǎn)主機(jī)廠承認(rèn)復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬相比具有種種的優(yōu)點(diǎn)，但是他們對(duì)于復(fù)合材料經(jīng)噴涂后的表面是否具有同金屬表面一樣的質(zhì)量，仍持保留態(tài)度。事實(shí)上，復(fù)合材料在汽車車身面板方面使用中所遇到的一個(gè)最大的挑戰(zhàn)就是：復(fù)合材料經(jīng)涂裝后產(chǎn)生的瑕疵。

 

    我們以復(fù)合材料在汽車車身面板方面使用最多的片狀模塑料SMC部件為例，SMC車身部件在涂裝后通常會(huì)產(chǎn)生很多的表面瑕疵，例如：針眼、氣孔、裂紋、氣泡等，尤其在車身面板的邊緣區(qū)域氣泡情況較為嚴(yán)重。為了彌補(bǔ)這些缺陷，減少不合格產(chǎn)品率，提高部件的表面質(zhì)量，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家目前是通過(guò)大量的涂裝后修補(bǔ)手段如破泡、打磨、填膩?zhàn)?、拋光等?lái)加以改進(jìn)，然后再按通常的涂裝工藝進(jìn)行表面再涂裝。這樣做的結(jié)果雖然減少了不合格品率，但增加了大量的后修補(bǔ)工序和再涂裝使生產(chǎn)成本大幅上升，另外也限制了SMC在A級(jí)車身面板上的應(yīng)用。

 

    SMC車身面板在涂裝后產(chǎn)生表面油漆瑕疵和起泡的原因絕大部分都?xì)w因于基質(zhì)中的微小孔隙和微裂紋。而這些微小孔隙和微裂紋常常是在生產(chǎn)及搬運(yùn)過(guò)程中不注意人為形成的，例如從部件的模壓到脫模到除邊的過(guò)程，以及從部件的包裝到運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程，我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，在部件的邊緣部分會(huì)產(chǎn)生許多微裂紋。正是這些看似微不足道的微小孔隙和微裂紋，在油漆噴涂過(guò)程中積聚了空氣中的水分和油漆中揮發(fā)性溶劑，當(dāng)油漆后的SMC部件通過(guò)烘箱高溫烘烤時(shí)，水分和溶劑膨脹蒸發(fā)變成氣泡逸出，造成已噴完漆的部件表面起泡或氣泡破裂變成氣孔、針眼等油漆瑕疵。

 

    就SMC部件在涂裝后產(chǎn)生的表面瑕疵，目前國(guó)外復(fù)合材料行業(yè)主要的做法是消除微孔隙和微裂紋，從根夲上杜絕產(chǎn)生油漆表面瑕疵的根源，收到了很好的效果，主要有以下幾方面的措施：

 

    1、生產(chǎn)高強(qiáng)度、高韌性SMC樹(shù)脂。

 

    近年來(lái)，美國(guó)AOC公司和ThyssenkruppBudd公司聯(lián)合起來(lái)開(kāi)發(fā)了Atryl®TCA一種新的SMC樹(shù)脂。這種SMC樹(shù)脂強(qiáng)度高，生產(chǎn)出的部件可減少50%的表面波痕（與傳統(tǒng)的SMC表面相比），并增加了69%的韌性（與傳統(tǒng)的SMC樹(shù)脂相比）。由于具有這些性能，可顯著地阻止在脫模過(guò)程及脫模后微裂紋的產(chǎn)生，這樣即使在重要的邊緣區(qū)域也不會(huì)產(chǎn)生微裂紋。

 

    2.加強(qiáng)模壓工藝控制和模具技術(shù)進(jìn)步。

 

    通過(guò)改變SMC片材加料方式和片材鋪覆位置；增加材料的流動(dòng)距離；使閉模過(guò)程中材料發(fā)生均勻位移等措施以達(dá)到減少SMC部件孔隙量。具體做法有采用PLC、NCN控制復(fù)合材料壓機(jī)對(duì)不同部件的產(chǎn)品模壓工藝進(jìn)行對(duì)應(yīng)編程模壓控制；采用激光定位儀對(duì)材料鋪覆進(jìn)行正確定位等。另外對(duì)大型或復(fù)雜零部件采用真空輔助排氣模具，在真空條件下進(jìn)行模壓成型操作，這樣就可以顯著降低甚至消除SMC多孔性缺陷。

 

    3.開(kāi)發(fā)新型底漆涂料和新型涂裝工藝。

 

    2003年BASF公司針對(duì)SMC“油漆氣泡”難題，推出DynaSeal™紫外固化封孔劑，這種技術(shù)使得SMC部件在噴漆烘干前，通過(guò)紫外引發(fā)聚合反應(yīng)對(duì)SMC表面進(jìn)行封孔，在接下來(lái)的噴漆油漆固化中，這層紫外固化的封孔劑層可阻止SMC基體中吸收的揮發(fā)物逸出，從而避免了氣孔的產(chǎn)生。另外一個(gè)方法就是模內(nèi)涂層(IMC)。SMC在模具內(nèi)部完全固化了之后，操作人員注入一層液體的涂層材料，然后這層涂層材料在SMC的表面固化并填充滿所有的空隙，同時(shí)提供一層類似底漆的表面，防止了油漆氣泡的產(chǎn)生。

 

    4.文明生產(chǎn)，文明搬運(yùn)。

 

    SMC部件產(chǎn)生微裂紋很大程度上是從脫模到除邊的過(guò)程，以及從部件的包裝到運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中不文明生產(chǎn)和不文明搬運(yùn)造成的。因此加強(qiáng)文明生產(chǎn)和文明搬運(yùn)的教育至關(guān)重要，國(guó)外己普遍實(shí)行“產(chǎn)品不著地”的文明生產(chǎn)方式，在汽車復(fù)合材料行業(yè)大力推廣另件專用周轉(zhuǎn)箱（架）物流形式，減少了搬運(yùn)次數(shù)，不讓另件有互相碰撞機(jī)會(huì)，杜絕人為因素造成的微裂紋產(chǎn)生。

 

    以上介紹的國(guó)外幾種新材料、新工藝、新技術(shù)著眼從根源上解決汽車復(fù)合材料在涂裝方面不盡人意的缺陷，消除限制復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的障礙，使復(fù)合材料車身面板能夠達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)的鋼鐵材料的油漆的水平，從而使汽車復(fù)合材料的應(yīng)用將日益廣泛。

 

    汽車復(fù)合材料的連接和固定

 

    隨著汽車復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，汽車復(fù)合材料部件之間的組合裝配以及復(fù)合材料部件與鄰近金屬零部件的連接固定的問(wèn)題日益突出，汽車行業(yè)傳統(tǒng)金屬零部件之間的連接方式已不能適應(yīng)客觀需求了，在此情況下，我們有必要對(duì)汽車復(fù)合材料的連接與固定的連接方式進(jìn)行新的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，并進(jìn)行合理的選擇。根據(jù)國(guó)外成熟的經(jīng)驗(yàn)，汽車復(fù)合材料連接固定的方式主要有三種方式：（1）機(jī)械緊固；（2）粘結(jié)劑粘接；（3）焊接/熔接。

 

    機(jī)械緊固:

 

    這種連接固定方法使用的是鉚釘和螺栓，是最普及也是最容易理解的一種連接方式。對(duì)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，機(jī)械緊固連接方式有許多不足之處，如：重量增加、應(yīng)力集中、部件之間的交迭、高公差的要求、電蝕性等。但是，從另一方面說(shuō)，機(jī)械連接不需要對(duì)表面進(jìn)行處理或后續(xù)的拋光，這樣重復(fù)拆卸就很方便（如：檢查、維修和回收）。相對(duì)而言，對(duì)環(huán)境的影響也不是很敏感，如溫度的影響等。

 

    粘結(jié)劑粘接:

 

    連接固定方法相對(duì)于機(jī)械緊固連接固定方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：減輕結(jié)構(gòu)重量，外觀平整光滑，改善疲勞強(qiáng)度，適應(yīng)性強(qiáng)，最適合薄壁部件的連接，粘接工藝簡(jiǎn)單，可縮短生產(chǎn)周期。,但粘結(jié)劑粘接連接固定方法也存在一些缺點(diǎn)，如另部件的工作溫度范圍不高；粘接質(zhì)量易受不同因素影響，產(chǎn)品性能的分散性較大；沒(méi)有可靠的檢驗(yàn)方法；粘接面的表面處理和粘接工藝過(guò)程要求較嚴(yán)；需要專用的加熱加壓處理粘接工裝等。因此，在一些重要的部件和連接位置，往往會(huì)采用粘接與某一種機(jī)械緊固連接的混合連接固定方法，既充分利用了粘接的優(yōu)點(diǎn)，又確保了連接部位的足夠強(qiáng)度和可靠性。

 

    焊接/熔接連接:

 

    固定方法主要應(yīng)用于熱塑性汽車復(fù)合材料部件，焊接/熔接連接固定方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：良好的機(jī)械性能、連接處的耐用性、加工時(shí)間短，易于在線檢測(cè)以及部件表面處理要求低等?？梢杂糜跓崴苄云噺?fù)合材料的焊接/熔接連接固定方法主要有三種：（1）超聲波焊接/熔接、（2）電感應(yīng)焊接/熔接（3）電阻焊接/熔接。對(duì)汽車復(fù)合材料進(jìn)行焊接/熔接有以下不足之處：不易拆卸、需要添加導(dǎo)電性的填料（針對(duì)電感應(yīng)焊接/熔接）、需要使用金屬網(wǎng)（針對(duì)電阻焊接/熔接）、可允許的碳纖維含量很低（所有三種焊接/熔接工藝）等。

 

    根據(jù)上述簡(jiǎn)單介紹，我們知道汽車復(fù)合材料連接固定的方式主要有三種，每一種都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。但相對(duì)而言，最有發(fā)展?jié)摿Φ钠噺?fù)合材料連接工藝是采用粘結(jié)劑連接固定方法，隨著粘結(jié)劑向著功能性不斷提高、具有雙重效力（既可以粘結(jié)熱固性復(fù)合材料又可以粘結(jié)熱塑性復(fù)合材料）以及綠色環(huán)保的方向發(fā)展，汽車復(fù)合材料粘結(jié)劑連接固定方法正日益為汽車工業(yè)所重視、接受并盛行起來(lái)。限于篇幅，本節(jié)汽車復(fù)合材料的連接和固定，主要討論粘結(jié)劑粘接連接固定方法。

 

    汽車復(fù)合材料粘結(jié)劑粘接連接固定方法的優(yōu)點(diǎn)

 

    近年來(lái)，由于高性能結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的出現(xiàn)，使得采用粘結(jié)劑粘接的連接方式不斷得到人們的認(rèn)可。作為一種最有發(fā)展?jié)摿Φ倪B接固定工藝，它有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：

 

    1、可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求(如：防撞擊性能)來(lái)決定粘結(jié)劑的機(jī)械性能；

 

    2、粘結(jié)劑的超抗疲勞和耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命；

 

    3、粘結(jié)劑具有很好的密封性；

 

    4、兩種材料或結(jié)構(gòu)粘接在一起可以實(shí)現(xiàn)比較光滑的表面，具有造型設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)；

 

    5、通過(guò)整個(gè)的粘接區(qū)域來(lái)分散部件所受的負(fù)荷，從而避免了局部最大壓力的集中；

 

    6、粘結(jié)劑填充空隙的特點(diǎn)可允許部件有一定的公差；

 

    7、可對(duì)粘結(jié)劑的硬度進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化整個(gè)產(chǎn)品的硬度

 

    汽車復(fù)合材料常用結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的種類

 

    一般來(lái)說(shuō)，汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑通常使用環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂和丙烯酸酯樹(shù)脂為基礎(chǔ)的三大類粘結(jié)劑，該三大類粘結(jié)劑在使用中也各具特點(diǎn)，應(yīng)該準(zhǔn)對(duì)不同的材料和要求進(jìn)行不同的選擇：

 

    環(huán)氧基粘結(jié)劑：

 

    對(duì)復(fù)合材料、熱固性塑料和金屬粘接性極好；強(qiáng)度、撓度和彈性都很高；固化過(guò)程收縮性最小。分為單、雙組份兩種。單組份環(huán)氧粘接劑要求熱固化，應(yīng)用條件要求很嚴(yán)。

 

    聚氨酯基粘結(jié)劑：

 

    對(duì)絕大部分復(fù)合材料和塑料的粘接性極好；對(duì)金屬的粘接性較好；機(jī)械性能從剛性到撓性范圍大；持久性好；但加工過(guò)程中對(duì)潮濕敏感；固化速度的范圍較廣。

 

    丙烯酸基粘結(jié)劑：

 

    對(duì)復(fù)合材料和熱固性塑料的粘接性極好；對(duì)金屬的粘接性好；允許被粘件進(jìn)行較差的預(yù)處理；能達(dá)到高強(qiáng)度與高韌性的最佳結(jié)合；耐化學(xué)性好，有效使用期長(zhǎng)；固化速度快；但有惡臭；固化過(guò)程中收縮性較高。

 

 

    表1為汽車復(fù)合材料三類結(jié)構(gòu)粘接劑的典型性能，由于結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的品種繁多，使用的要求又各不相同，所以應(yīng)以實(shí)際使用結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的性能為準(zhǔn)，表中數(shù)值僅供參考。