碳纖維汽車零部件快速模壓成型工藝及其結構與性能研究

劉 賓 賓

(中航復合材料有限責任公司，北京 101300)

當前，由于環保和節能的需要，汽車輕量化已經成為世界汽車產業的發展方向之一[1]。在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整車質量，不僅可以提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染[2-4]，而且還有助于改善汽車的加速性和控制穩定性，并對汽車噪音、震動、碰撞時慣性和制動距離的減小都有著積極的作用[5]。

材料輕量化是汽車輕量化最重要的手段，目前研究較多的輕量化材料包括鋁鎂合金、碳纖維復合材料等，其中碳纖維復合材料是研發的熱點。碳纖維復合材料質量比鋼鐵材料輕50%，比鋁材輕30%，且有特別好的吸收碰撞能量的特殊性能，不因疲勞而老化撕裂，并且不會被腐蝕[6]。例如，用碳纖維復合材料制造的發動機部件和傳動軸，因具有高阻尼特性，可降低震動、降低噪音，提高乘坐舒適性能；用碳纖維復合材料制造的汽車保險杠，因具有良好的抗沖擊吸能性能，可大大提高汽車的安全性[5]。

但是，碳纖維復合材料大批量應用到汽車車身零部件中也存在一定瓶頸，最主要的是成型周期長，普遍碳纖維復合材料零部件的成型周期長達數小時，完全無法適應汽車行業高效生產的節奏。為了適應汽車行業的市場需求，提高碳纖維汽車車身零部件的生產效率，即縮短其成型周期，首先要選擇快速固化的原材料，其次，在多種復合材料成型工藝方法(真空輔助樹脂注射成型(VARI)、手糊、模壓、樹脂傳遞模塑成型(RTM)、熱壓罐等)中，從操作、成本等方面考慮選擇模壓成型工藝方法。為此，作者選擇了汽車車身上的一個典型零部件(地板上的加強梁)作為實驗對象，對其快速模壓成型工藝方法及其結構性能進行了研究，取得了較滿意的結果。

1 實驗

1.1 原料與試劑

碳纖維快速固化環氧樹脂體系預浸料：ACTECH1201/SYT45，纖維面密度為(150±5)g/m2，樹脂質量分數為(40±3)%，中航航空高科技股份有限公司產；單面帶膠四氟布：TOOLTEC-A005-48″-18YDS，天津埃爾泰克復合材料有限公司產；Tedlar薄膜：TMR10SM3，無錫康佰賽復合材料科技有限公司產；脫模劑：Chemlease MPP 2180，哈爾濱澳士德商貿有限公司產；脫模布、有孔隔離膜、導氣氈、真空袋等輔助材料：保定市瑞彼得復合材料銷售有限公司產；真空嘴：自制。

1.2 設備與儀器

U4.165F/K型真空泵：德國Becker公司制；FDY-800型液壓成型機：系統壓力20 MPa，活塞行程1 700 mm，中國上海頤中橡膠機械有限公司制；DSC 214 Polyma差示掃描量熱儀：德國耐馳公司制；0-150電子數顯卡尺：桂林精密量具量儀有限責任公司制。

1.3 實驗方法

為了驗證碳纖維汽車車身零部件快速模壓成型的生產線流水作業，所選多個典型車身零部件加強梁(簡稱加強梁零部件)作為實驗對象，其模壓成型工藝流程見圖1。

圖1 加強梁零部件快速模壓成型工藝流程示意

加強梁零部件快速模壓成型過程如下：

(1)在預制體模具表面粘貼單面帶膠四氟布，可多次重復使用，對成型模具上、下模涂脫模劑。

(2)在預制體模具上按照鋪層設計角度逐層鋪貼預浸料，鋪貼過程中間隔4～6層(依據不同零部件外形可做適當調整)進行真空壓實處理(真空壓力不低于-0.090 MPa，時間不低于5 min)，預制體上、下表面可鋪貼Tedlar薄膜。

(3)將鋪貼完的預制體001脫出，脫出后預制體模具可繼續鋪貼預制體002，依此類推，鋪貼預制體003，004……，重復(2)，(3)工步，形成循環。

(4)將壓機升溫至135～137 ℃的成型模具打開，在下模放入預制體001。

(5)成型模具合模，加壓至1.0～2.0 MPa， 135～137 ℃下保溫7～8 min。

(6)成型模具開模，將預制體001制得的產品脫出(135～137 ℃熱脫模)，預制體002放入下模，合模加壓固化進入下一個零部件成型，依此類推，預制體003，004……制得相應成型產品，重復(4)，(5)，(6)工步，形成循環。

(7)產品脫模后可直接進入下一工序操作。

按照上述模壓成型過程進行流水作業，成型了3個加強梁零部件，將預制體001，002，003制得的加強梁零部件相應編為1#，2#，3#試樣，每個零部件成型時間為占用成型模具的時間，即(4)～(6)工步所使用的時間，其成型過程詳見圖2。

圖2 加強梁零部件快速模壓成型過程照片

1.4 分析與測試

加強梁零部件的表面缺陷：目視法檢測制件表面是否滿足制造驗收技術要求(無褶皺、白斑、凹陷、氣泡、外來物等缺陷)。

加強梁零部件的厚度：使用電子數顯卡尺對加強梁零部件(等厚度制件)測量其厚度并記錄數據，檢測位置有8處，如圖3所示。

圖3 加強梁零部件厚度檢測位置示意

固化度(Dc)：按ISO 11357—5—2013標準，使用差示掃描量熱(DSC)儀分別測試預浸料(ACTECH1201/SYT45)完全固化時所放出的總熱量(?H0)、固化后加強梁零部件試樣的剩余反應熱(?HR)，?H0和?HR即為放熱峰的面積。測試條件為掃描溫度從室溫升至200 ℃，升溫速率10 ℃/min，整個過程氮氣保護。Dc的計算公式為：

(1)

玻璃化轉變溫度(Tg)：采用DSC儀進行測試。測試條件為：稱樣5～10 mg，由室溫以10 ℃/min的升溫速率加熱的180 ℃，然后以40 ℃/min的降溫速率降至室溫，整個過程氮氣保護，記錄升溫曲線。

2 結果與討論

2.1 加強梁零部件模壓成型時間

從表1可知，加強梁零部件1#，2#，3#試樣的模壓成型時間分別為510，490，482 s，均小于等于8.5 min，說明該加強梁零部件快速模壓成型工藝流程大大縮短了成型周期，完全可以適應汽車行業高效生產的節奏，若不包含保溫7 min的時間，其余操作時間在1～1.5 min，如加快預浸料的固化時間，加強梁零部件的成型周期還可縮短，仍可進一步提高生產效率。

表1 加強梁零部件模壓成型時間

2.2 加強梁零部件表面質量

對脫模后的加強梁零部件通過目視法檢測，產品表面無褶皺、白斑、凹陷、氣泡、外來物等缺陷，完全滿足制造驗收技術要求，見圖2d。

2.3 加強梁零部件的Dc及Tg

圖4為預浸料(ACTECH1201/SYT45)完全固化時的DSC升溫曲線，通過截取面積可知，其固化時釋放的?H0為113.56 J/g。固化后的加強梁零部件1#，2#，3#試樣完全固化時的DSC升溫曲線如圖5所示。由圖5可看出，1#，2#，3#試樣均無放熱峰，即3個加強梁零部件試樣的?HR均為0，表明3個加強梁零部件均已完全固化，Dc均為100%。從圖5還可看出，1#，2#，3#試樣的Tg(取中值)分別為120.91，124.54，122.69 ℃，均大于120 ℃，這說明3個試樣均可完全滿足汽車正常運行情況下的使用。

圖4 預浸料試樣的DSC升溫曲線

圖5 加強梁零部件試樣的DSC升溫曲線

2.4 加強梁零部件的厚度

加強梁零部件設計要求的理論厚度為3.15 mm，公差為(-5%，+10%)，即厚度在3.00～3.47 mm時為合格。從表2可看出，1#，2#，3#試樣在1～8個檢測點處的厚度為3.01～3.36 mm，均在公差范圍內，滿足設計要求。

表2 加強梁零部件的厚度

3 結論

a. 單件加強梁零部件快速模壓成型時間小于等于8.5 min，可適應汽車行業高效生產的節奏，實現碳纖維汽車車身加強梁零部件快速模壓成型的生產線流水作業。

b. 加強梁零部件表面質量滿足制造驗收技術要求。

c. 加強梁零部件的Dc均為100%，Tg均大于120 ℃，完全可以滿足汽車正常運行情況下的使用。

d. 加強梁零部件產品厚度均在公差范圍內，滿足設計要求。