摘要

    介紹了汽車輕量化用碳纖維復(fù)合材料表面涂裝的特點(diǎn)及涂裝工藝流程， 以碳纖維乘員艙為例， 通過涂裝及涂層性能驗(yàn)證， 探討了碳纖維乘員艙實(shí)施低溫涂料工藝的適應(yīng)性。

    輕量化技術(shù)是汽車降低油耗、減少排放、提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程最有效的工程途徑之一。采用碳纖維復(fù)合材料部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料是目前汽車實(shí)現(xiàn)輕量化最有效的途徑。德國寶馬率先在i3量產(chǎn)車中大量使用碳纖維復(fù)合材料 （CFRP） , 輕量化效果顯著， 掀起了一場(chǎng)汽車產(chǎn)業(yè)材料革新的浪潮。碳纖維復(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)樗糜谄囍芯哂性S多優(yōu)異的性能：密度小， 比強(qiáng)度、比模量高， 輕量化效果明顯；集成度高， 減少零部件數(shù)量；設(shè)計(jì)的靈活性強(qiáng)、造型自由等。總之， 碳纖維復(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)。

    在汽車制造四大工藝中， 涂裝質(zhì)量是整車質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一， 因?yàn)橛推嵬繉硬粌H起到保護(hù)汽車不被腐蝕的作用， 而且對(duì)美化汽車外觀有著十分重要的影響。同時(shí)， 涂裝質(zhì)量也是汽車產(chǎn)品外觀質(zhì)量的重要組成部分， 是構(gòu)成產(chǎn)品價(jià)值的重要因素， 因此涂裝工藝需要經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。本文就環(huán)氧基碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的涂裝工藝進(jìn)行研究。

    一、試驗(yàn)部分

    1.試驗(yàn)用碳纖維乘員艙的制備

    試驗(yàn)用環(huán)氧基CFRP制品包括樣板、頂蓋、下車身前段、下車身后段、左側(cè)圍、右側(cè)圍、左/右側(cè)后尾燈固定板延伸板和充電口蓋分總成， 制造工藝為真空灌注樹脂工藝， 該工藝是預(yù)先用樹脂浸潤(rùn)碳纖維， 制成半固化態(tài)材料， 根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)和工藝規(guī)范手工積層， 干法操作， 真空袋法。具體的工藝流程為：在模具上手工逐層干法鋪貼→制袋密封→消除氣泡→在一定的溫度、壓力、時(shí)間下固化成型。所得部件通過膠黏劑粘接起來即為碳纖維乘員艙成品。碳纖維乘員艙表面狀態(tài)和基本特性參數(shù)見表1。

    2.試驗(yàn)用涂裝材料

   未經(jīng)處理的碳纖維表面光滑、惰性大、表面能低， 缺乏有化學(xué)活性的官能團(tuán)， 表面呈現(xiàn)化學(xué)惰性， 與樹脂基體浸潤(rùn)性差， 這使得復(fù)合材料界面黏合性能差。因此選擇涂料時(shí)應(yīng)綜合考慮汽車的實(shí)際服役環(huán)境及碳纖維的表面特性， 以保證涂料對(duì)基體有良好的浸潤(rùn)性， 且溶劑不應(yīng)揮發(fā)太快， 以便充分滲透進(jìn)基體的間隙。涂層選用“雙組分聚氨酯低溫底漆+雙組分不飽和聚酯膩?zhàn)?單組分聚氨酯底色漆+雙組分聚氨酯低溫清漆”體系。試驗(yàn)用主要涂裝材料的相關(guān)信息見表2。

表1 碳纖維乘員艙表面狀態(tài)和基本特性參數(shù)

    3.碳纖維乘員艙涂裝工藝

    傳統(tǒng)汽車鋼鐵白車身涂裝前， 需進(jìn)行脫脂、表調(diào)、磷化等漆前預(yù)處理。漆前預(yù)處理的主要目的是去除白車身表面的所有污染物， 提高白車身表面清潔度和粗糙度， 增強(qiáng)白車身耐蝕性能及涂膜附著力。碳纖維乘員艙表面光滑、惰性大、表面能低， 傳統(tǒng)的漆前處理工藝得不到良好的磷化膜， 表面處量效果差。同時(shí)， 碳纖維乘員艙因其成型工藝特點(diǎn)， 表面極易有針孔、坑洼及條紋狀等外觀缺陷。因此碳纖維乘員艙的漆前處理主要采用清潔后機(jī)械打磨的處理方式。通過打磨去除前道工序產(chǎn)生的顆粒、針孔、坑洼及條紋狀等缺陷， 并獲得高度毛化的表面， 從而增加涂料的接觸面， 以產(chǎn)生“咬合效應(yīng)”。增強(qiáng)碳纖維乘員艙與涂膜間的結(jié)合力。

    經(jīng)反復(fù)打磨、擦凈、干燥處理后的碳纖維乘員艙可直接涂裝碳纖維專用底漆、膩?zhàn)印⒌咨岷颓迤帷Ｄ佔(zhàn)硬灰诉^厚， 要求厚度≤1 mm, 若使用不當(dāng)， 易造成涂層的機(jī)械性能下降。為保證底漆對(duì)碳纖維乘員艙的封閉性和涂層的豐滿度， 底漆干膜厚度應(yīng)控制在30~60μm。根據(jù)金屬底色漆顏色的不同， 漆膜厚度應(yīng)為15~35μm, 清漆漆膜厚度控制在35~45μm。碳纖維乘員艙低溫涂料工藝具體為：打磨， 擦凈→刮涂/噴涂CFRP專用膩?zhàn)?rarr;烘干 （80℃×30 min） →打磨， 擦凈→噴涂CFRP專用底漆→流平， 閃干→烘干 （80℃×30 min） →打磨， 擦凈→局部刮涂填眼灰→烘干 （80℃×30 min） →打磨， 擦凈→噴涂底色漆→流平， 閃干→噴涂罩光清漆→流平， 閃干→烘干 （80℃×30 min） →檢查， 修飾→交車。

    4.碳纖維涂層性能試驗(yàn)

    為更好、更全面地驗(yàn)證涂裝工藝， 在涂裝碳纖維乘員艙時(shí)， 按相同工藝在同一涂裝線上同步制作了一批碳纖維涂層樣板， 以便更好地檢測(cè)、控制其涂層性能。碳纖維乘員艙和碳纖維涂層樣板在室溫 （18~28℃） 狀態(tài)下調(diào)節(jié)7 d后對(duì)涂層主要性能進(jìn)行檢測(cè)、試驗(yàn)評(píng)審。產(chǎn)品涂層的主要性能見表3。

    表3 碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品涂層的主要性能

    二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

    基于表3涂層主要性能及碳纖維乘員艙涂裝研究分析可以得出以下結(jié)論：

    1）根據(jù)碳纖維乘員艙的表面特性， 采用CFRP專用底漆， 可以起到適當(dāng)封閉底材缺陷， 提高整體涂層的豐滿度、隔離性和耐久性的作用。底漆和膩?zhàn)拥氖┕け閿?shù)越多， 對(duì)涂層外觀的改善越大， 但整體涂層的附著力和耐久性喪失的風(fēng)險(xiǎn)越大。碳纖維乘員艙整體涂層外觀平整光滑， 無針孔、縮孔、露底和流掛等缺陷， 符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量要求。

    2）對(duì)于目前國內(nèi)碳纖維制品的制造水平， 當(dāng)表面粗糙度Ra為0.9~2.7μm, 且表面有少許針孔、空隙、波浪、坑等缺陷時(shí)， 其涂裝工藝采用“打磨， 擦凈→刮/噴涂膩?zhàn)?rarr;烘干→低溫底漆→烘干→打磨， 擦凈→低溫面漆→烘干→修飾”可以達(dá)到較好的裝飾效果。底漆涂層的厚度與綜合涂層的外觀正相關(guān)， 與綜合涂層的附著力和耐久性能負(fù)相關(guān)。

    3）如果碳纖維制品表面狀況足夠致密， 平整光滑、無外觀缺陷， 中間防護(hù)性涂層越少對(duì)涂裝越有利。如果碳纖維制品表面高質(zhì)量、無空隙， 符合汽車A級(jí)表面光潔度要求， 涂裝工藝甚至可以簡(jiǎn)化到僅噴涂清漆， 以顯露碳纖維紋理設(shè)計(jì)效果。

    三、結(jié)語

    綜上所述， 本試驗(yàn)選擇的環(huán)氧基碳纖維乘員艙采用低溫涂料工藝可獲得較理想的涂裝效果。但因碳纖維乘員艙外觀狀態(tài)不是很好， 不得不使用膩?zhàn)犹畛湔移剑?打磨部位較多， 已經(jīng)對(duì)目前的面漆外觀造成了負(fù)面影響。后續(xù)應(yīng)致力于改進(jìn)碳纖維乘員艙生產(chǎn)試制過程中織物、成型條件及環(huán)氧樹脂等新成型技術(shù)， 提高乘員艙表面品質(zhì)， 以獲得更優(yōu)異的外觀質(zhì)量效果。

    隨著碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)及新涂裝工藝的不斷發(fā)展和不斷完善， 必然會(huì)促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在各類汽車材料中的廣泛應(yīng)用。針對(duì)碳纖維制品制定的低溫涂料工藝技術(shù)完全可以滿足其批量生產(chǎn)的要求， 進(jìn)而對(duì)汽車輕量化用碳纖維復(fù)合材料的推廣應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。

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