汽车复合材料相关应用技术问题的探讨

汽车复合材料相关应用技术问题的探讨

汽车复合材料相关应用技术问题的探讨造摘自《车网》

前言复合材料应用于汽车行业最早开始于 19 5 3年五十五年来复合材料在汽车行业应用中保持着持续增长的发展势头并且这个趋势还将继续朝着向上方向发展复合材料的用量之所以会在汽车行业中持续增长是因为复合材料具备了许多优秀的性能如：,,

汽车复合材料的涂装在汽车工业中汽车车身的外表油漆质量是整车因为车身油漆表面不仅起到质量最重要的指标之保护车厢不被腐蚀的作用而且对汽车美化外观有着十分重要的影响因此尽管汽车生产主机厂承认复合材料与传统的金属相比具有种种的优点但是他们对,一

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耐腐蚀并且与铝材和钢材相比加工成本更低设计的灵活性更强更容易成型等等总之复合材料是汽车行业替代金属材料的个很好的可选项然而事实上在汽车制造领域其制作材料并没有完全直接从金属材料转换到复合材料尤其在大批量生产的汽车方面复合材料的应用还是很有限的这是因为有许多和复合材料使用相关的技术问题仍然没有很好地得到解决其中包括准确的材料定性生产油漆维修和金属材料的连接以及强度高、

重量轻、

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于复合材料经喷涂后的表面是否具有同金属表面样的质量仍持保留态度事实上复合材料在汽车车一

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身面板方面使用中所遇到的个最大的挑战就是：复合材料经涂装后产生的瑕疵我们以复合材料在汽车车身面板方面使用最多的状模塑料 S M C部件为例 S M C车身部件在涂装后片一

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通常会产生很多的表面瑕疵、

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回收等问题新工艺和新技术不断涌现从而在很大程度上使上述问题得到了改善促进了复合材料在各类汽车中的广泛应用但也不能否认复合材料在汽车上的广泛应用。、

尽管近年来世界上复合材料的新材料,

纹气泡等为严重为了弥补这些缺陷减少不合格产品率提高部件的表面质量国内生产厂家目前是通过大量的涂装后修补手段如破泡打磨填腻子抛光等来加,。

例如：针眼

气孔裂尤其在车身面板的边缘区域气泡情况较,、

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以改进

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然后再按通常的涂装工艺进行表面再涂装,

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这样做的结果虽然减少了不合格品率

特别是在中国汽车行业真正广泛应用仍然存在应用技术方面的各类问题这需要我们去关去研究去探讨去实践本文就汽车复合材料的涂装连接维修和回收等四大应用技术问题进行探讨以期抛砖引,,,,。、、

但增加了大量的后修补工序和再涂装使生产成卒大幅上升另外也,

限制了S MSM C

级车身面板上的应用车身面板在涂装后产生表面油漆瑕疵和起C

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泡的原因绝大部分都归因于基质中的微小孔隙和微裂而这些微小孔隙和微裂纹常常是在生产及搬运过。

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程中不注意人为形成的，例如从部件的模压到脱模到另件有互相碰撞机会，杜绝人为因素造成的微裂纹产除边的过程，以及从部件的包装到运输的过程，我们生。

经常会发现，在部件的边缘部分会产生许多微裂纹。 正是这些看似微不足道的微小孔隙和微裂纹，在油漆喷涂过程中积聚了空气中的水分和油漆中挥发性溶剂，当油漆后的S部件通过烘箱高温烘烤时，水分 MC和溶剂膨胀蒸发变成气泡逸出，造成已喷完漆的部件表面起泡或气泡破裂变成气孔、针眼等油漆瑕疵。就 S部件在涂装后产生的表面瑕疵，目前国外 MC

以上介绍的国外几种新材料、新工艺、新技术着眼从根源上解决汽车复合材料在涂装方面不尽人意的缺陷，消除限制复合材料大规模应用的障碍，使复合材料车身面板能够达到或超过传统的钢铁材料的油漆的水平，从而使汽车复合材料的应用将日益广泛。

汽车复合材料的连接和固定

复合材料行业主要的做法是消除微孔隙和微裂纹，从随着汽车复合材料的应用日益广泛，汽车复合材根本上杜绝产生油漆表面瑕疵的根源，收到了很好的料部件之间的组合装配以及复合材料部件与邻近金属效果，主要有以下几方面的措施： 零部件的连接固定的问题日益突出，汽车行业传统金 1生产高强度、高韧性S树脂。 . MC 属零部件之间的连接方式已不能适应客观需求了，在近年来，美国A C公司￣ T ysn rp

u d公司 O l h sekupB d J 此情况下，我们有必要对汽车复合材料的连接与固定

联合起来开发 J rl C -种新的S树脂。这种￣ y At T A-‘ MC S树脂强度高，生产出的部件可减少5%的表面波 MC 0痕 (与传统的S表面相比),并增加了6%的韧性 MC 9 (与传统的S树脂相比)。由于具有这些性能，可 MC显著地阻止在脱模过程及脱模后微裂纹的产生，这样即使在重要的边缘区域也不会产生微裂纹。 2加强模压工艺控制和模具技术进步。 . 通过改变 S MC片材加料方式和片材铺覆位置；增加材料的流动距离；使闭模过程中材料发生均匀位移等措施以达到减少S部件孔隙量。具体做法有采用 MC P C、 NC L N控制复合材料压机对不同部件的产品模压工艺进行对应编程模压控制；采用激光定位仪对材料铺覆进行正确定位等。另外对大型或复杂零部件采用真空辅助排气模具，在真空条件下进行模压成型操作，这样就可以显著降低甚至消除S多孔性缺陷。 MC 3开发新型底漆涂料和新型涂装工艺。 .2 0年B F司针对S 0 3 AS公 MC“漆气泡”难题，油

的连接方式进行新的学习和认识，并进行合理的选择。根据国外成熟的经验，汽车复合材料连接固定的方式主要有三种方式： ( )机械紧固； ( )粘结剂 1 2粘接； ( )焊接/ 3熔接。 机械紧固这种连接固定方法使用的是铆钉和螺栓，是最普及也是最容易理解的一种连接方式。对汽车行业来说，机械紧固连接方式有许多不足之处，如：重量增加、应力集中、部件之间的交迭、高公差

的要求、电蚀性等。但是，从另一方面说，机械连接不需要对表面进行处理或后续的抛光，这样重复拆卸就很方便 (如：检查、维修和回收 )。相对而言，对环境的影响也不是很敏感，如温度的影响等。 粘结剂粘接连接固定方法相对于机械紧固连接固

定方法具有以下优点：减轻结构重量，外观平整光滑，改善疲劳强度，适应性强，最适合薄壁部件的连接，粘接工艺简单，可缩短生产周期。但粘结剂粘接

连接固定方法也存在一些缺点，如另部件的工作温推￣D n S a紫外固化封孔剂，这种技术使得S 度范围不高；粘接质量易受

不同因素影响，产品性能 y a el M T MC部件在喷漆烘干前，通过紫外引发聚合反应对S表的分散性较大；没有可靠的检验方法；粘接面的表面 MC面进行封孔，在接下来的喷漆油漆固化中，这层紫外处理和粘接工艺过程要求较严；需要专用的加热加压固化的封孔剂层可阻止 S MC基体中吸收的挥发物逸处理粘接工装等。因此，在一些重要的部件和连接位

出，从而避免了气孔的产生。另外一个方法就是模内 置，往往会采用粘接与某一种机械紧固连接的混合连涂层( ) MC I MC。S在模具内部完全固化了之后，操作接固定方法，既充分利用了粘接的优点，又确保了连 人员注入一层液体的涂层材料，然后这层涂层材料在接部位的足够强度和可靠性。焊接/熔接连接固定方法主要应用于热塑性汽车复 S MC的表面固化并填充满所有的空隙，同时提供一层合材料部件，焊接/接连接固定方法的主要优点是：熔 类似底漆的表面，防止了油漆气泡的产生。 良好的机械性能、连接处的耐用性、加工时问短，易 4文明生产，文明搬运。 . S部件产生微裂纹很大程度上是从脱模到除边于在线检测以及部件表面处理要求低等。可以用于热 MC

熔接连接固定方法主要有三的过程，以及从部件的包装到运输的过程中不文明生塑性汽车复合材料的焊接/ 1熔 2熔接产和不文明搬运造成的。因此加强文明生产和文明搬种： ( )超声波焊接/接、 ( )电感应焊接/ ( )电阻焊接/接。对汽车复合材料进行焊接/ 3熔熔接运的教育至关重要，国外己普遍实行“产品不着地” 的文明生产方式，在汽车复合材料行业大力推广另件有以下不足之处：不易拆卸、需要添加导电性的填料针对电感应焊接/熔接 )、需要使用金属网 (针对电专用周转箱 ( )物流形式，减少了搬运次数，不让 (架

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阻焊接/熔接 )、可允许的碳纤维含量很低 (所有三种化过程中收缩性较高。汽车复合材料粘接前的表面处理： 焊接/熔接工艺 )等。 根据上述简单介绍，我们知道汽车复合材料连接汽车复合材料 (尤其是热塑性汽车复合材料 )的固定的方式主要有三种，每一种部有各自的优缺点， 表面能都相对较低，所以在使用结构粘

结剂之前，需适应不同的应用场合。但相对而言，最有发展潜力的要对汽车复合材料表面进行适当的处理，以去除表面

汽车复合材料连接工艺是采用粘结剂连接固定方法， 随着粘结剂向着功能性不断提高、具有双重效力 (既可以粘结热固性复合材料又可以粘结热塑性复合材料 )以及绿色环保的方向发展，汽车复合材料粘结剂连接固定方法正目益为汽车工业所重视、接受并盛行起来。限于篇幅，本节汽车复合材料的连接和固定， 主要讨论粘结剂粘接连接固定方法。 汽车复合材料粘结剂粘接连接吲定方法的优点近年来，由于高性能结构粘结剂的出现，使得采用粘结剂粘接的连接方式不断得到人们的认可。作为 一

的污垢、粉尘、油污、油脂、水分、脱模剂和增塑剂等，同时，提高基材的表面能，使其高于结构粘结剂的表面能量，从而确保结构粘结剂能够充分润湿基材表面，这对于实现坚固可靠且耐久的粘接是至关重要的。下面，将介绍三种常用的表面处理方法。1溶剂擦拭法。 .

这是最简单的表面处理方式，能够去除粘接表面的蜡质、油污和其他小分子量的污染物。这项技术要求污染物可溶于溶剂，且溶剂本身不含溶解的污染

物。为此，对溶剂的选择就显得非常重要。一般， 种最有发展潜力的连接固定工艺，它有许多突出的常用的溶剂包括：丙酮、丁酮、甲基异丁基酮、二甲 优点： 苯、三氯乙烯、乙醇和异丙醇等，在擦拭中应注意使 1町以根据具体的设计要求 (:防撞击性能)用清洁的无尘擦布或纸巾。但这种表面处理方法的缺、 如 来决定粘结剂的机械性能； 点是：溶剂可能会对基材产生不良影响，如热塑性复 2粘结剂的超抗疲劳和耐腐蚀的优点可以延长合材料可能会被溶解，显现出应力裂纹或龟裂；可能、产品的使用寿命； 会造成交叉污染，如样品与样品之间的污染、重复使 3粘结剂具有很好的密封性；、 4两种材料或结构粘接在一起可以实现比较光、滑的表面，具有造型设计上的优势； 5通过整个的粘接区域来分散部件所受的负、用或浸入到溶剂中的擦布的污染等；产生的蒸汽可能会危害工人的健康；不适用于大规模的生产要求 (大规模的工业生产可选用蒸汽脱脂和超声波蒸汽脱脂的方法 )。

荷，从而避免了局部最大压力的集中； 2打磨法。 . 6粘结剂填充空隙的特点可允许部件有一定的、打磨可去除表面污染物，并获得高度毛化的表公差； 面，从而增加结构粘接剂的粘接接触面，以产生“咬 7可对粘结剂的硬度进行调整，优化整个产品合效应”。常用的打磨方法包括：采用钢丝刷、砂纸、的硬度或锉削等的手工打磨；采用砂带、砂轮或喷丸/喷砂等汽车复合材料常用结构粘结剂的种类的自动打磨；以及相对较快，对操作者依赖性低且重般来说，汽车复合材料结构粘结剂通常使用环复性和成本效益均较好的机械打磨等。 氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸酯树脂为基础的三大类 3火焰处理法。 . 一

粘结剂，该大类粘结剂在使用中也各具特点，应该火焰处理是利用气体或气体/气火焰，对表面氧准对不同的材料和要求进行不同的选择： 进行部分氧化，以产生极性基，从而提高聚合物的表环氧基粘结剂：对复合材料、热固性塑料和金属擎髯蚤 粘接性极好；强度、挠度和弹性都很高；固化过程收缩性最小。分为单、双组份两种。单组份环氧粘接剂要求热固化，应用条件要求很严。 聚氨酯基粘结剂：对绝大部分复合材料和塑料的粘接性极好；对金属的粘接性较好；机械性能从刚性到挠性范围大；持久性好；但加工过程中对潮湿敏感；固化速度的范围较广。 丙烯酸基粘结剂：对复合材料和热固性塑料的粘接性极好；对金属的粘接性好；允许被粘件进行较差的预处理：能达到高强度与高韧性的最佳结合；耐化学性好，有效使用期长；同化速度快；但有恶臭；固

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面能。此技术所处理的基材厚度较采用电晕预处理的的维护修复却开始成为汽车行业新的困惑，汽车复合基材厚度大，尤其适用于不均匀的热塑性复合材料制材料碰撞受损后究竟能不能修复？如果可以的话，怎品。其优点是：气体与氧气的比例、流量、暴露时间么进行修复？经过修复后的车身能否恢复到受损前的和火焰与基材的距离易于调节，已被证实是适用于聚状态？这些问题的答案是明确的：目前在汽车上所使丙烯类复合材料的较有效的方法。 用的复合材料部件都是可以修补的，而且完全能达到汽车复合材

料粘接前的表面处理除了以上介绍三受损前的状态。之所以会得出这样的结论，是因为在种常用的表面处理方法外，还有一些相对先进和准对过去的若干年中，维修汽车复合材料所用的粘结剂等特殊粘接要求的复杂的表面处理技术，如等离予体处产品得到了很大的改进，维修的工艺技术也已日臻成理电晕放电处理化学处理等。但无论采用那种表面熟，从某种程度上，汽车复合材料的维修工序要比钢处理方法，关键是要求有清洁的粘接表面和确保粘结板材料更加简便和易于操作。 剂能够充分润湿基材，这是我们应该严格加以关注汽车复合材料部件是否需要进行修复主要取决于的。

碰撞的程度，汽车复合材料发生碰撞一般会有三种状

汽车复合材料粘接接头的设计况：一是轻微的撞击，由于汽车复合材料本身具有良 汽车复合材料粘结剂粘接连接固定方法除了粘结好的抗撞击性能，如能经受普通手推车的撞击而不会剂的选择与配制以及粘接表面处理是很关键的步骤产生凹陷，也不会损坏，因此这种状况不需要维修； 外，粘接接头的设计好坏同样将直接影响到粘接性能二是猛烈的撞击，汽车复合材料严重受损，通常建议和强度。汽车复合材料粘接接头设计的一原则是：般 更换部件而不作维修，因为维修成本将会大于更换部保证粘接面 E力分布均匀；将应力减少到最小限件的成卒；三是虽经碰撞而受损不严重，在经济上值应度，使之纯粹受拉力和剪切力；尽町能扩大粘接面积得维修。

等。汽车复合材料粘接接头的结构设计形式也是多种多样的，根据被粘物形状可分为平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒彤粘接等形式；根据材料的粘接方式又可分为对接、搭接、插接、对切双搭接等等。从接头形式看，一般认为插接结构比较理想，其次是搭接和斜搭接。但在实际应用中，主要根据被粘接制品的结构和需粘接的部位而具体确定。

汽车复合材料的维修传统意义上的汽车碰撞维修，只是简单将碰撞受损变形的车身固定后，用加热、机械拉伸的方式进行维修，然后再靠榔头等简单工具调整和修复车身钢板、车门和立柱等的间隙和形状，最后靠腻予、原子灰以及修补漆恢复原貌。对于钢板车身的碰撞维修

目前大

多数维修部门已经掌握手工铺层玻璃纤维增强塑料的维修技术，而对复合材料在汽车车身面板方面使用最多的片状模塑料S部件的维修却缺乏认 MC识，仍采用传统维修手工铺层玻璃纤维增强塑料的方法，结果经常会产生维修失败的情况。这是由于S MC的化学组成成份和手工铺层玻璃纤维增强塑料是不相同的。维修 S部件通常需要专用S材料制成的粘 MC MC结剂，而S维修专用粘结剂的玻纤含量要与被维修 MC S部件的玻纤含量基本一致，这样才能使修补的部 MC分与被修部件保持相对一致的热膨胀或收缩比率，否则的话，维修数周后会出现类似“牛眼”或“晕环” 的形状，说明维修工作同样是失败的。另外，无论在维修过程中使用何种材料，都必须按照粘结剂生产商的指导说明正确地去操作，尤其要特别注意维修材料

我们都己驾轻就熟了，但随着汽车复合材料在汽车车的固化时间。身上应用的日益广泛，汽车复合材料车身碰撞受损后

汽车复合材料的回收出于经济和环保的原因，在汽车行业中采用回收工艺已经有很长的历史。早期的汽车，如轿车、客车、卡车几乎全都使用了金属，回收的方法主要就是将废旧的金属部件熔化掉，以便于再次利用。

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这种回收方法对于金属材料来说是相当理想的， 通过熔融处理，金属部件可以成为新的材料。但遗憾的是，汽车复合材料却不能像金属材料这样进行回收，我们经常会被问及：汽车复合材料是否属于可回收的材料？如果属于可回收的材料，怎样才能方便地回收汽车复合材料？正如我们己经知道，汽车复合材料包括热固性汽车复合材料和热塑性汽车复合材料两

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O大类，其中热塑性汽车复合材料可以通过再熔化回收 1 mm大小的粉末，然后吹入水泥窑炉内，作为燃料利用己为大家所了解，持有疑问或为汽车行业专家颇燃烧，以能量的方式回收由于焚烧交联的聚酯产生的感头痛的问题是热固性汽车复合材料能否进行回收和热能，而经煅烧的灰分能作为水泥原料使用该方法是 O再利用？事实上热固性汽车复合材料同样属于可回收把玻璃钢废物先粉碎为粒径 1mm大小的粉末，吹入的材料，这在汽车复合材料应用最为发达的美国、欧水泥窑炉内，可作为燃料燃烧，煅

烧的残渣作为水泥旋转炉技术洲等国家早己有定论，只是热固性汽车复合材料因为 原料使用；能量回收技术有液体床技术/和材料燃烧技术。这种方法的特点是：把废旧热固性具有化学、热力学、机械稳定性较高的特点，一方面使它们成为汽车许多应用领域的首选材料，另一方面汽车复合材料一部分转化成能源，可以减小部分燃料也存在着其回收有一定困难的客观事实。热固性汽车用量，也减少了二氧化碳的排放，另外因窑炉内温度

复合材料不像传统金属材料和热塑性汽车复合材料那高，产生的有害气体极少，没有有害气体污染空气的样可以通过简单再熔化方式来回收，它们必须用不同 问题；再由于经煅烧的灰分与水泥的化学成分相同， 完全口以作为水泥原料使用。因此，焚烧法能把废旧 J 的加工方法处理。 针对热固性汽车复合材料的处理和回收，人们通热固性汽车复合材料通过焚烧将能源利用和材料回收过不断的探索和实践己研发出多种同收处理技术方结合起来一次性全部回收，具有很好的推广价值。 通过上述三种回收处理方法介绍，我们可以更加案，其中较为行业普遍接受的回收处理方法有下列二种：

明确地知道汽车复合材料部件不仅是可以回收的，是一

1热解法。、 种可回收材料，而且在回收技术没有任何障碍。根热解法又称为化学回收处理方法，简地讲，热据国外回收处理的经验，汽车复合材料存在的最大问 解法是在无氧的环境中加热，将有机物质有控制地热题是回收后材料的最终使用以及成本方面的问题，这

分解成可回收的一种或多种物质的方法。热固性汽车些问题需要我们今后认真去研究和关注。 复合材料热解处理的过程为：先将废 I的热固性一般 H汽车复合材料制品切割成5 mm×5 m 0 0 m大小的碎块， 结束语用水蒸气蒸煮后，置于热解炉中处理。结果显示，热复合材料在汽车中的应用已有五十五年的悠久历固性汽车复合材料在处理系统中很容易被蒸馏，苯乙史，在世界范围内，复合材料被广泛地应用到汽车的烯 .酯树脂基材料很快被挥发而转变为町燃气体和可车身内、外饰件以及部分半结构件和结构件，为汽聚燃油，并将有机物质完全从玻璃纤维￣C

C a O中分离车工业的轻量化做出了巨大的贡献，积累了丰富的 出来。经热解法处理我们得到了三种可回收的物质， 设计、制造、应用方面的经验和大量的成功范例塑料即热解气、热解油及固体副产物。 工业刚版权所有，这是汽车复合材料行业的骄傲，也 2粉碎法、是汽车工业引以为荣的成就。但是，我们应该清醒地粉碎法又称为物理回收处理方法，是种直接利认识到：尽管汽车复合材料具有很大的发展潜力，汽一用废旧热固性汽车复合材料而并不改变其化学性质的车复合材料行业需要展示这些复合材料产品的优点， 种回收方法，也是目前最直接、最有效的方法。热以及和金属件相比所存在的优势，但这并不意味着复固性汽车复合材料粉碎处理的一般过程为：先将废旧 合材料在未来就一定或必然会替代金属材料。可以预的热固性汽下复合材料切成 5 rm×2 mm大小的碎见的是：在近阶段，复合材料应用十汽车部分的数量 0 a 0块，并通过除铁处理，然后用锤磨机对碎块进一步将不断增加，但正如航空航天业那样，在汽车行业中粉碎，粉碎后的粉料通过二级气旋式分离器进行分级复合材料同样不会也不可能完全替代金属材料。比较分理，粗料重回锤磨机再粉碎，粉料进入振动筛进行理想的一种情况就是，汽车设计师将同时采用复合材分级处理，将各种不同颗粒直径粉料分别贮存于相应料和金属材料进行设计和生产制造，分别利用其最佳一

的收集箱内，供各种不同应用场合再利用。粉碎法的 的性能特点，设计制造出真正性价比最佳的新一代汽效果较好，效率较高，实用性也强，叮以制成大至车。但如果采用这种混合材料汽车的设计制造方法， 95 . mm有用颗粒粗料，也可生产小至2 0 6 1m) 0目f03或我们必须要谨慎地考虑复合材料和金属材料的相容性，更细的粉状填料。 问题，另外一个必要的条件就是需要具备产品设计、 3焚烧法、模拟和生产方面的软件。希望有…天，汽车工业能像焚烧法又称为能量回收法，是一种利用废旧热同 制造波音77 8飞机一样，5%采用复合材料，这将对世 0性汽车复合材料作燃料进行焚烧，以获取能量

的一种界汽车能源、环保、安全、舒适性产生何等重大的影一回收方法。热固性汽车复合材料焚烧处理的一般过响啊！我们期待这一天，我们为这一天的早目到来而程为：先将废旧的热固性汽车复合材料粉碎为粒径努力！圃

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