汽車用復合材料A級表面檢測技術的研究進展

周波，鄭挺，項林憶，胡斌，鄒新良，何光建

(1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434；2.華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣東省高分子先進制造技術及裝備重點實驗室，廣東廣州 510640)

0 引言

在汽車開發過程中，A級表面是大多數汽車設計中都會用到的術語，并具有嚴格的數值定義，用于描述一組光滑和高質量的自由曲面。但對于制造出來的車身表面的評定，則沒有統一的評定標準，簡單地講就是要求曲面必須光順，即避免在光滑的表面上出現突然的凸起、凹陷等缺陷[1]。后來被廣為接受的一種評定標準大致是A級表面兩個相鄰補丁邊緣的每個點之間的距離必須不超過0.001 mm，兩個相鄰面片邊緣上的表面切線之間的角度不超過0.005°。

隨著汽車輕量化技術的發展，復合材料在汽車制品上的應用也越來越廣泛。目前，用A級SMC已經生產出了鏡面外觀的汽車外表面制品，同時SMC材料的高比強度和高比剛度也使其在汽車等工業上替代鋼鐵、減輕自身質量方面擁有較大的優勢。然而對于金屬材料來講，其表面光潔度取決于刀具和切削參數。而采用復合材料制作的表面質量則非常復雜，其表面質量與復合材料收縮率、成型固化溫度、壓力、模具表面質量等諸多因素有關。因此，現有的金屬表面質量評價方法不能很好地評價復合材料面板的表面質量[2-3]。對車身外表面制品表面性能的評定，以往主要依靠經驗通過主觀評定，或者依靠邊界，通過對照檢測來檢驗判斷，而對于復合材料制成的A級表面更難給出確切的數值定義，籠統地認為A級表面應該達到與涂裝后鋼板同樣的光學效果和水平。

由于主觀評價方法的隨機性，為了提高主觀評價樣本的準確性，需要增加評價人數和延長評價時間，因此主觀評價方法逐漸難以滿足自動化生產的需要，從而發展了對A級表面質量進行儀器評價的測量方法和技術。

1 汽車制品外觀表面質量的檢測手段

一個高表面質量的制品可以節約能源和材料、減少成本、提高產品質量、降低零件的廢品率以及提高其使用壽命和使用性能[4]，因此需要對A級表面的評定提出一系列客觀、可度量的評定標準。

對汽車制品外觀件的表面質量進行檢測，主要有兩種手段：一種是接觸式測量手段，另一種是非接觸式。接觸式測量手段是采用高靈敏度的探針在表面移動，將表面接觸的信號轉化為電信號輸出，從而獲得不同表面位置的輪廓圖像。許多表面光潔度的測量儀器都屬于這一類型，例如常用于表面檢測的原子力顯微鏡(AFM)就屬于接觸式測量方法[5-7]。非接觸式測量技術則一般基于光學原理，采用光學顯微技術、電子顯微技術或光學傳感器技術來檢測和收集表面質量參數。非接觸式表面測量技術除了可以確定表面輪廓，還可以測量光澤度、DOI(圖像的清晰度)以及桔皮現象。相對于接觸式測量方法，非接觸式測量系統更適用于測量較大表面積的樣品以及材料表面較軟的樣品。但是，非接觸式系統相較接觸式價格往往更高，同時也可能會受到材料顏色或表面其他光學性質的影響。

目前，非接觸測量系統和接觸測量系統都可以實現樣品表面的高精度和高分辨率測量[8]，也已經發展了相關技術標準和參數用于評定表面粗糙度[9-11]。

1.1 接觸式測量原理及主要產品

接觸針式儀器的測量原理是在被檢測樣品的表面移動一個高精度的探頭，在移動的過程中檢測每一個位點的相對高度隨移動位置變化的情況。機械觸針法按照位移檢測方式分為電感式、電容式、壓電式、邁克爾遜干涉式、柱面光柵干涉式、掃描白光干涉式等[12]。在測量過程中，觸針通過對被測樣品做逐點掃描收集信息，最后組合信息得到被測表面的輪廓曲線。觸針式輪廓儀盡管有可能對被測表面造成損傷、掃描速度低、測量區域有限等缺點，但它仍是目前使用最便捷的一種表面探測手段，并且由于觸針直接接觸被測樣品表面，接觸式測量儀器的分辨率很高，可以得到穩定可靠的表面形貌數據。例如Mitutoyo SJ402的分辨率可以達到1.25 nm/800 μm，所以一直是各國國家標準及國際標準制定的依據。觸針式測量過程在測量表面粗糙度時產生誤差的主要影響因素是探針的大小、探針的負載、探針移動的速度以及粗糙表面的橫向偏差。

自英國Taylor-Hobson公司1940年研制成功了表面粗糙度測量儀Talysurf之后[13]，輪廓儀迅速進入了表面特征測量領域，除了常見系列Talysurf 5、Talysurf 6、Form Talysurf，另外還有Form Talysurf PGI系列粗糙度輪廓儀[14-15]。德國Mahr集團生產性能優異的M系列便攜式粗糙度儀，其附件的多樣性有助于實現復雜溝槽的測量。臺式粗糙度儀中Perthometer S3P、S4P等也表現出很好的性能。日本Mitutoyo公司的優勢在于各種專用傳感器測頭可以適配各種型號輪廓儀，一機多用，其產品主要是Surftest系列，包括便攜式211/212/301及臺式SU424/ SU-624等。我國主要的輪廓儀生產廠家有哈爾濱量具刀具廠、上海量具刃具廠及北京時代公司等。

1.2 非接觸式測量原理

雖然觸針法測量技術簡單，但對于表面測量數據的后處理計算過程繁瑣，特別對于大樣品的表面檢測效率較低，不能實現表面粗糙度的實時控制，且容易對測試表面產生一定程度的破壞，因此該技術對檢測對象的材質要求較高，工業上在更多時候通過光學非接觸測量手段來檢測表面的外觀質量。美國測試與材料學會(American Soeiety for Testing and Materials,ASTM)將對象的外觀定義為大小、形狀、顏色、紋理、光澤、透明度等視覺感知[16-17]。人類感知的視覺外觀是物體與入射在其上的入射光之間復雜相互作用的結果，這些相互作用包括鏡面反射、散射、吸收和透射。視覺外觀的所有幾何屬性都源于空間中白光的分布[18-19]。國際照明委員會(International Commission on illumination,CIE)將材料的光學特性分為4個方面(顏色，光澤，半透明和紋理)[20]。

1970年，MEADOWS等[21]提出了主要基于光學條紋圖的表面分析原理，通過提取條紋圖中的相位信息來獲取物體表面形貌。隨后表面測量技術逐漸由觸針逐點式測量向光學多采樣點方式發展。隨后1982年掃描隧道顯微鏡(STM)的成功面世更加促進了表面質量非接觸式測量技術的發展[22]。目前非接觸式測量方法的評定標準主要基于光線與樣品表面物理性質相互作用所產生的視覺印象和光學信息來進行，由于表面外觀質量不同，樣品表面直接反射的光線使物體呈現出不同的外觀顯現，主要表現在樣品表面的光澤、桔皮、霧影以及鮮映性(DOI)等參數[23-25]。HUNTER等首先將鏡面光澤度定義為以指定角度從表面反射的光與從表面法向另一側相同角度入射到表面上的光的比率(圖1)。隨后，他又提出了其他幾種反應光澤的指標并對它們做出了解釋[16,26-27]。

圖1 HUNTER提出來的5種光澤類型[16]

1.2.1 光澤(光澤度)

光澤度是光在沒有散射的情況下從表面反射的程度。當眼睛聚焦在光源的反射影像上，獲取的信息反映的是成像質量以及表面反射物體的能力，即表面的光澤屬性。測量光澤度時，光源放在探測器的對面，在反射角的小范圍內記錄光強。表面接收入射光后，大多數在鏡面反射角處集中反射出平行光束，則樣品顯示高光澤度。入射光在各個角度都存在反射，光束朝各個方向上漫射，則成像質量低，稱為中光澤或低光澤表面。為了在從高光澤到啞光的整個測量范圍內獲得準確的參考數據，ISO 2813和ASTM D523從高到低光澤標準化了20°、60°、85°三種光路幾何結構[28-30]。目前的光澤度儀都可以提供3種情形下的鏡面幾何形狀，一般情況下，測量程序首先使用60°入射光線測量光澤度，如果結果小于10光澤度單位(GU)，則應使用85°光路進行測試，或者如果結果大于70 GU，則必須采用20°光路。

在反射物體邊緣時，高光澤表面的黑暗部分會顯得有點明亮，稱為霧影；高光澤表面由于細微結構，在主反射方向附近有低強度的漫射光，使得表面光澤度和成像質量高但表面會出現乳白色的朦朧。這種由于涂料中顏料分散均勻性不好而導致的微結構會發生乳狀外觀，就被稱為霧影，霧影是只有高光澤表面才會出現的現象。

樣品隨著老化時間的延長，樣品表面對光的鏡面反射能力下降，目視光澤變差；烘烤溫度對物體表面鏡面反射能力也有一定的影響。而對于溶劑型涂料而言，溶劑的各組分揮發速率的差別越小越有可能得到高光澤的表面。當溶劑各組分在濕膜階段的揮發速率不相同時，聚合物分子有析出的趨勢，會使涂膜表面變得不平整。在漆膜的烘烤工藝中，溫度的升高會導致各組分之間揮發拉開差距，從而導致樣品目視光澤度急劇下降[31-32]。

1.2.2 鮮映性(DOI)

鮮映性(Distinctness of Image)是以物體在表面上反射而產生的影像的銳度為特征的光澤的一部分，它是鏡面反射微小變化的函數[33]。在測量A級表面的鮮映性，即圖像清晰度時，一般使入射光束的軸線從垂直于試樣表面20°或30°的位置入射，接收器設置在與反射光重合位置和離開反射光0.2°～0.4°的位置，光澤度反射系數是由此兩者得到的值組合起來得到的[34]。

2006年BYK-Gardner開發了一種稱為wave-scan dual(也叫wave-scan DOI)的儀器，其入射激光以60°的角度照射在表面上，并在鏡面反射角檢測到反射光，通過掃描和記錄表面的光學輪廓來測量表面的波紋度。在測量過程中，儀器在整個樣品表面上移動一個大約10 cm的掃描長度，每0.027 mm記錄一次數據點。信號在0.1～30 mm內被分為5個波長范圍，對于5個范圍中的每個范圍都有其特征值(Wa為0.1～0.3 mm，Wb為0.3～1.0 mm，Wc為1.0～3.0 mm，Wd為3.0～10 mm，We為10～30 mm)。并將1～10 mm的波掃描值歸納為長波(LW)，0.3～1 mm為短波(SW)。檢測到的散射光即所謂的霧影(du<0.1 mm)，通過使用短波范圍Wa、Wb和du的3個值，可計算出DOI值[35-36]。

此外還有兩種可通過波掃描DOI測量的外觀特征：濕性外觀(WL)和長波覆蓋(LC)。這些值分別使用方程式(1)和(2)從元素結構尺寸測量中計算

(1)

(2)

當短波在視覺系統占優勢時，會隱藏涂層表面的長波。Wd/Wc比值較高時，表面具有明顯的WL。WL值低會導致纖維狀光學印痕的出現;WL值高會導致表面看起來濕滑。另外，在汽車的檢測過程中，汽車的水平面(如引擎蓋)和垂直面(如車門)是主要的檢查區域。在幾乎所有的車身中，垂直表面的LC值都高于水平表面[37]。

物料分散程度、細度、顏料種類和彼此之間的兼容性，添加的濕潤劑、分散劑及其濃度，涂裝方法(氣動優于靜電)等都對霧影值有一定程度的影響。物料細度越小，分散程度越好，則霧影就越不明顯，光澤度越好。隨濕潤劑或分散劑等添加劑的含量增加，材料表面的光澤和霧影都有所改善。

1.2.3 紋理(桔皮)

當眼睛聚焦于表面時，會觀察到像明暗區域交替出現的波紋結構，這些波紋結構被稱作桔皮。桔皮是對表面粗糙度或波紋度的度量，受涂層表面高度差的影響，由樣品的基體粗糙度、薄膜厚度、漆膜配方、制造工藝等各種因素共同決定。桔皮反映的是樣品表面的紋理屬性，從外觀來看可將其視為亮區和暗區的波浪形圖案[38-39]。ASTM E284標準將桔皮定義為類似于桔皮表面的不規則外觀[17]。桔皮結構通過不規則外觀的大小、形狀和深度來描述，其可見程度與波紋大小、觀測距離、成像質量等因素有關。這些結構的清晰度不僅取決于結構的大小，還取決于觀看距離，3～100 mm大小的波紋在3 m的距離可以看到，被稱為長波；0.1～1 mm內的小型結構只有在非常近的距離才看得見，稱為短波[40]。非常精細的表面結構，甚至小于0.1 mm不能用肉眼檢測到，但它們也會降低涂層表面的清晰度，并最終影響涂層的視覺外觀；尺寸在1～3 mm的表面結構在距離為3 m時很難被檢測到，但它們也會影響涂層的外觀[14]。

1980年，美國高級涂料技術(Advanced Coating Technology laboratory,ACT)實驗室開發了一套標準桔皮樣板，定義了10塊桔皮樣板作為外觀比較的標準，以助于視覺評估樣品的表面質量。該套樣板簡單地標記為面板1～10，其中面板1具有高度的表面粗糙度，面板10具有最好的光滑光潔度。并用該桔皮樣板來實現給參數AOP(Absence of Orange Peel)及ACT標準橙皮標度(ACTv)關于LW參數與鏡面光澤度和DOI的相互轉換，使AOP的值介于0～100之間，來表示桔皮的缺失百分比。

在證明了目前提出的視覺評估技術的內在可加性之后，又提出方程來定義“總幾何外觀指數(GAI)[如方程式(3)]，作為幾何外觀屬性的組合指數，即鏡面反射消色差汽車飾面的光澤度G、DOI和OP[41]：

(3)

2 表面檢測的應用及A級表面的評價標準

對金屬材料的光滑表面而言，無論入射角如何，其鏡面反射率總是恒定的。對熱塑性樹脂，生產冷卻過程中體積收縮明顯，表面會出現微型孔洞，影響其表面質量。且增強材料收縮時還會導致樹脂和纖維的不均勻分布，使纖維凸出，表面粗糙度增加[3]，后續處理的清漆應用也對表面質量有一定影響[42-44]。熱固性復合材料(BMC/SMC/RTM)由于體積收縮率降低，表面光滑度有顯著提高。

對BMC/SMC制品表面的評價方法，經歷了由低級到高級、由定性到定量的轉變。關于表面測試的方法，國際上有光柵法、衍射觀測指數法以及激光光學反射成像分析等[45]，我國則制訂了一個測試漆膜光澤度的國家標準[46]。用光柵法測試時，A級表面應符合9級精度；當用衍射觀測指數(DSI)時，A級表面應為130；當用激光光學反射成像分析時，A級表面的激光光學反射圖像分析儀的數值LORIA (Laser Optical Reflection Image Analysis)為80～110。專利[47]中使用表面分析儀LORIA測試反映合成的片狀模塑料(SMC)的表面質量。實驗結論表示成分為熱固性樹脂添加芳族、多烯鍵式不飽和單體、低收縮添加劑增強劑和粗紗增強材料等可得到具有A級表面質量的車輛模塑復合材料[48]。

2008年，歐洲一家汽車研究小組還定義了一個新的“結構平衡指數B”，該指數B是Wb和Wd值的函數，如方程式(4)所示，它可以用來同時評估表面的短波和長波，從中取得平衡，然后再借助BYK的“平衡表”來評價整體外觀[49]。

(4)

用于測量汽車飾面外觀的最常用的儀器是Autospec QMS-BP。該儀器測量光澤度、DOI和桔皮。通過綜合測量的光澤度、DOI和桔皮值計算出整體外觀值(NAP)[39,50]。神龍有限公司的漆膜桔皮測試中就用到了桔皮儀和NAP來獲取其長短波桔皮和鮮映性數據[51]。德國的Car Paint Vision(CPV)的ISRA Surface Vision，實現了將現代視像技術用于表面量化測定。德國的曼佐里特(Menzolit)公司可以制作出低比重的轎車級別SMC，即能夠使SMC基材成型后具有金屬一般非常平整的表面。

3 總結

目前，汽車用A級表面的檢測手段正在不斷完善，產品類型和后續開發也越來越多。各粗糙度測量儀的生產廠家需要努力實現測量設備的性能優化，完善其功能；同時，也不能忽視微機處理技術、高度集成化電路技術，使生產出來的設備具有更加適應在線測量要求的超小型體系結構。總體來說，A級表面的測量不斷向著現代化、自動化的方向發展。