碳纤维汽车零部件快速模压成型工艺及其结构与性能研究

刘 宾 宾

(中航复合材料有限责任公司，北京 101300)

当前，由于环保和节能的需要，汽车轻量化已经成为世界汽车产业的发展方向之一[1]。在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整车质量，不仅可以提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染[2-4]，而且还有助于改善汽车的加速性和控制稳定性，并对汽车噪音、震动、碰撞时惯性和制动距离的减小都有着积极的作用[5]。

材料轻量化是汽车轻量化最重要的手段，目前研究较多的轻量化材料包括铝镁合金、碳纤维复合材料等，其中碳纤维复合材料是研发的热点。碳纤维复合材料质量比钢铁材料轻50%，比铝材轻30%，且有特别好的吸收碰撞能量的特殊性能，不因疲劳而老化撕裂，并且不会被腐蚀[6]。例如，用碳纤维复合材料制造的发动机部件和传动轴，因具有高阻尼特性，可降低震动、降低噪音，提高乘坐舒适性能；用碳纤维复合材料制造的汽车保险杠，因具有良好的抗冲击吸能性能，可大大提高汽车的安全性[5]。

但是，碳纤维复合材料大批量应用到汽车车身零部件中也存在一定瓶颈，最主要的是成型周期长，普遍碳纤维复合材料零部件的成型周期长达数小时，完全无法适应汽车行业高效生产的节奏。为了适应汽车行业的市场需求，提高碳纤维汽车车身零部件的生产效率，即缩短其成型周期，首先要选择快速固化的原材料，其次，在多种复合材料成型工艺方法(真空辅助树脂注射成型(VARI)、手糊、模压、树脂传递模塑成型(RTM)、热压罐等)中，从操作、成本等方面考虑选择模压成型工艺方法。为此，作者选择了汽车车身上的一个典型零部件(地板上的加强梁)作为实验对象，对其快速模压成型工艺方法及其结构性能进行了研究，取得了较满意的结果。

1 实验

1.1 原料与试剂

碳纤维快速固化环氧树脂体系预浸料：ACTECH1201/SYT45，纤维面密度为(150±5)g/m2，树脂质量分数为(40±3)%，中航航空高科技股份有限公司产；单面带胶四氟布：TOOLTEC-A005-48″-18YDS，天津埃尔泰克复合材料有限公司产；Tedlar薄膜：TMR10SM3，无锡康佰赛复合材料科技有限公司产；脱模剂：Chemlease MPP 2180，哈尔滨澳士德商贸有限公司产；脱模布、有孔隔离膜、导气毡、真空袋等辅助材料：保定市瑞彼得复合材料销售有限公司产；真空嘴：自制。

1.2 设备与仪器

U4.165F/K型真空泵：德国Becker公司制；FDY-800型液压成型机：系统压力20 MPa，活塞行程1 700 mm，中国上海颐中橡胶机械有限公司制；DSC 214 Polyma差示扫描量热仪：德国耐驰公司制；0-150电子数显卡尺：桂林精密量具量仪有限责任公司制。

1.3 实验方法

为了验证碳纤维汽车车身零部件快速模压成型的生产线流水作业，所选多个典型车身零部件加强梁(简称加强梁零部件)作为实验对象，其模压成型工艺流程见图1。

图1 加强梁零部件快速模压成型工艺流程示意

加强梁零部件快速模压成型过程如下：

(1)在预制体模具表面粘贴单面带胶四氟布，可多次重复使用，对成型模具上、下模涂脱模剂。

(2)在预制体模具上按照铺层设计角度逐层铺贴预浸料，铺贴过程中间隔4～6层(依据不同零部件外形可做适当调整)进行真空压实处理(真空压力不低于-0.090 MPa，时间不低于5 min)，预制体上、下表面可铺贴Tedlar薄膜。

(3)将铺贴完的预制体001脱出，脱出后预制体模具可继续铺贴预制体002，依此类推，铺贴预制体003，004……，重复(2)，(3)工步，形成循环。

(4)将压机升温至135～137 ℃的成型模具打开，在下模放入预制体001。

(5)成型模具合模，加压至1.0～2.0 MPa， 135～137 ℃下保温7～8 min。

(6)成型模具开模，将预制体001制得的产品脱出(135～137 ℃热脱模)，预制体002放入下模，合模加压固化进入下一个零部件成型，依此类推，预制体003，004……制得相应成型产品，重复(4)，(5)，(6)工步，形成循环。

(7)产品脱模后可直接进入下一工序操作。

按照上述模压成型过程进行流水作业，成型了3个加强梁零部件，将预制体001，002，003制得的加强梁零部件相应编为1#，2#，3#试样，每个零部件成型时间为占用成型模具的时间，即(4)～(6)工步所使用的时间，其成型过程详见图2。

图2 加强梁零部件快速模压成型过程照片

1.4 分析与测试

加强梁零部件的表面缺陷：目视法检测制件表面是否满足制造验收技术要求(无褶皱、白斑、凹陷、气泡、外来物等缺陷)。

加强梁零部件的厚度：使用电子数显卡尺对加强梁零部件(等厚度制件)测量其厚度并记录数据，检测位置有8处，如图3所示。

图3 加强梁零部件厚度检测位置示意

固化度(Dc)：按ISO 11357—5—2013标准，使用差示扫描量热(DSC)仪分别测试预浸料(ACTECH1201/SYT45)完全固化时所放出的总热量(∆H0)、固化后加强梁零部件试样的剩余反应热(∆HR)，∆H0和∆HR即为放热峰的面积。测试条件为扫描温度从室温升至200 ℃，升温速率10 ℃/min，整个过程氮气保护。Dc的计算公式为：

(1)

玻璃化转变温度(Tg)：采用DSC仪进行测试。测试条件为：称样5～10 mg，由室温以10 ℃/min的升温速率加热的180 ℃，然后以40 ℃/min的降温速率降至室温，整个过程氮气保护，记录升温曲线。

2 结果与讨论

2.1 加强梁零部件模压成型时间

从表1可知，加强梁零部件1#，2#，3#试样的模压成型时间分别为510，490，482 s，均小于等于8.5 min，说明该加强梁零部件快速模压成型工艺流程大大缩短了成型周期，完全可以适应汽车行业高效生产的节奏，若不包含保温7 min的时间，其余操作时间在1～1.5 min，如加快预浸料的固化时间，加强梁零部件的成型周期还可缩短，仍可进一步提高生产效率。

表1 加强梁零部件模压成型时间

2.2 加强梁零部件表面质量

对脱模后的加强梁零部件通过目视法检测，产品表面无褶皱、白斑、凹陷、气泡、外来物等缺陷，完全满足制造验收技术要求，见图2d。

2.3 加强梁零部件的Dc及Tg

图4为预浸料(ACTECH1201/SYT45)完全固化时的DSC升温曲线，通过截取面积可知，其固化时释放的∆H0为113.56 J/g。固化后的加强梁零部件1#，2#，3#试样完全固化时的DSC升温曲线如图5所示。由图5可看出，1#，2#，3#试样均无放热峰，即3个加强梁零部件试样的∆HR均为0，表明3个加强梁零部件均已完全固化，Dc均为100%。从图5还可看出，1#，2#，3#试样的Tg(取中值)分别为120.91，124.54，122.69 ℃，均大于120 ℃，这说明3个试样均可完全满足汽车正常运行情况下的使用。

图4 预浸料试样的DSC升温曲线

图5 加强梁零部件试样的DSC升温曲线

2.4 加强梁零部件的厚度

加强梁零部件设计要求的理论厚度为3.15 mm，公差为(-5%，+10%)，即厚度在3.00～3.47 mm时为合格。从表2可看出，1#，2#，3#试样在1～8个检测点处的厚度为3.01～3.36 mm，均在公差范围内，满足设计要求。

表2 加强梁零部件的厚度

3 结论

a. 单件加强梁零部件快速模压成型时间小于等于8.5 min，可适应汽车行业高效生产的节奏，实现碳纤维汽车车身加强梁零部件快速模压成型的生产线流水作业。

b. 加强梁零部件表面质量满足制造验收技术要求。

c. 加强梁零部件的Dc均为100%，Tg均大于120 ℃，完全可以满足汽车正常运行情况下的使用。

d. 加强梁零部件产品厚度均在公差范围内，满足设计要求。