摘要

    介紹了汽車輕量化用碳纖維復合材料表面涂裝的特點及涂裝工藝流程， 以碳纖維乘員艙為例， 通過涂裝及涂層性能驗證， 探討了碳纖維乘員艙實施低溫涂料工藝的適應性。

    輕量化技術是汽車降低油耗、減少排放、提高新能源汽車續航里程最有效的工程途徑之一。采用碳纖維復合材料部分代替傳統金屬材料是目前汽車實現輕量化最有效的途徑。德國寶馬率先在i3量產車中大量使用碳纖維復合材料 （CFRP） , 輕量化效果顯著， 掀起了一場汽車產業材料革新的浪潮。碳纖維復合材料的用量之所以會在汽車行業中持續增長， 是因為它用于汽車中具有許多優異的性能：密度小， 比強度、比模量高， 輕量化效果明顯；集成度高， 減少零部件數量；設計的靈活性強、造型自由等。總之， 碳纖維復合材料是汽車行業替代金屬材料的一個很好的可選項。

    在汽車制造四大工藝中， 涂裝質量是整車質量最重要的指標之一， 因為油漆涂層不僅起到保護汽車不被腐蝕的作用， 而且對美化汽車外觀有著十分重要的影響。同時， 涂裝質量也是汽車產品外觀質量的重要組成部分， 是構成產品價值的重要因素， 因此涂裝工藝需要經過嚴格的試驗設計驗證。本文就環氧基碳纖維復合材料產品的涂裝工藝進行研究。

    一、試驗部分

    1.試驗用碳纖維乘員艙的制備

    試驗用環氧基CFRP制品包括樣板、頂蓋、下車身前段、下車身后段、左側圍、右側圍、左/右側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， 該工藝是預先用樹脂浸潤碳纖維， 制成半固化態材料， 根據鋪層設計和工藝規范手工積層， 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和基本特性參數見表1。

    2.試驗用涂裝材料

   未經處理的碳纖維表面光滑、惰性大、表面能低， 缺乏有化學活性的官能團， 表面呈現化學惰性， 與樹脂基體浸潤性差， 這使得復合材料界面黏合性能差。因此選擇涂料時應綜合考慮汽車的實際服役環境及碳纖維的表面特性， 以保證涂料對基體有良好的浸潤性， 且溶劑不應揮發太快， 以便充分滲透進基體的間隙。涂層選用“雙組分聚氨酯低溫底漆+雙組分不飽和聚酯膩子+單組分聚氨酯底色漆+雙組分聚氨酯低溫清漆”體系。試驗用主要涂裝材料的相關信息見表2。

表1 碳纖維乘員艙表面狀態和基本特性參數

    3.碳纖維乘員艙涂裝工藝

    傳統汽車鋼鐵白車身涂裝前， 需進行脫脂、表調、磷化等漆前預處理。漆前預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， 碳纖維乘員艙因其成型工藝特點， 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械打磨的處理方式。通過打磨去除前道工序產生的顆粒、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， 以產生“咬合效應”。增強碳纖維乘員艙與涂膜間的結合力。

    經反復打磨、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、膩子、底色漆和清漆。膩子不宜過厚， 要求厚度≤1 mm, 若使用不當， 易造成涂層的機械性能下降。為保證底漆對碳纖維乘員艙的封閉性和涂層的豐滿度， 底漆干膜厚度應控制在30~60μm。根據金屬底色漆顏色的不同， 漆膜厚度應為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專用膩子→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

    為更好、更全面地驗證涂裝工藝， 在涂裝碳纖維乘員艙時， 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、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℃） 狀態下調節7 d后對涂層主要性能進行檢測、試驗評審。產品涂層的主要性能見表3。

    表3 碳纖維復合材料產品涂層的主要性能

    二、試驗結果及分析

    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論：

    1）根據碳纖維乘員艙的表面特性， 采用CFRP專用底漆， 可以起到適當封閉底材缺陷， 提高整體涂層的豐滿度、隔離性和耐久性的作用。底漆和膩子的施工遍數越多， 對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險越大。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， 符合產品設計質量要求。

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

    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， 中間防護性涂層越少對涂裝越有利。如果碳纖維制品表面高質量、無空隙， 符合汽車A級表面光潔度要求， 涂裝工藝甚至可以簡化到僅噴涂清漆， 以顯露碳纖維紋理設計效果。

    三、結語

    綜上所述， 本試驗選擇的環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不是很好， 不得不使用膩子填充找平， 打磨部位較多， 已經對目前的面漆外觀造成了負面影響。后續應致力于改進碳纖維乘員艙生產試制過程中織物、成型條件及環氧樹脂等新成型技術， 提高乘員艙表面品質， 以獲得更優異的外觀質量效果。

    隨著碳纖維復合材料成型技術及新涂裝工藝的不斷發展和不斷完善， 必然會促進碳纖維復合材料在各類汽車材料中的廣泛應用。針對碳纖維制品制定的低溫涂料工藝技術完全可以滿足其批量生產的要求， 進而對汽車輕量化用碳纖維復合材料的推廣應用作出貢獻。

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責任編輯：王元

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