汽车复合材料

汽车复合材料主要加工工艺和技术

世界上第一辆全复合材料车身的汽车诞生55年以来，随着汽车工业的快速发展以及大众环保意识和节能意识的不断增强，尤其是在世界能源危机和石油涨价而使得汽车工业向轻量化方向发展的大背景下，作为汽车轻量化主流轻质材料之一的汽车复合材料的材料性能和加工工艺技术也因此而得到了快速发展。现在，无论是欧、美、日等汽车工业发达国家，还是中国、巴西和印度等汽车工业快速发展中国家，都已在汽车制造量采用汽车复合材料，涉及的车辆有商用车、乘用车、工程车、农用车、运动车以及休闲车、军用车和摩托车等几乎所有的车种，主要应用围也从外履件发展到汽车的各个部分，可以说从车头到车尾，从外饰件到饰件，从A级表面的车身面板到结构件、半结构件，从车门、车窗到车盖、车顶，从皮卡车厢、车身底护板到发动机气门盖、油底壳，从座椅骨架、底盘到储气罐、传动轴和板弹簧等，到处都有汽车复合材料的应用。那么，这些形状各异、技术性能各不相同，甚至规格和产量规模都相差甚远的汽车复合材料零部件是如何生产出来的呢？其主要生产工艺有哪些？与常规金属汽车零部件生产相比又有什么优缺点？……我们知道，汽车复合材料是一种可设计的材料，能够方便地实现整体综合优化设计。其中汽车复合材料制造工艺的可设计性带给了汽车复合材料制造行业无穷的想像力和创新机会。目前，我们己知的汽车复合材料制造工艺技术就多达几十种，并且还处于不断的创新发展之中。由于篇幅有限，本文就汽车复合材料主要且常用的6种加工工艺和技术做一初步介绍。

手糊成型工艺和技术

简单地说，手糊成型工艺(Hand Lay-up Molding)是手工作业把玻璃纤维织物和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上，然后用压辊滚压压实脱泡，最后在常温下固化成型为汽车复合材料制品，如图1所示。尽管在现代汽车复合材料成型新工艺不断涌现的情况下，手糊成型工艺显得比较原始，但是，该工艺却具有其独特的不可替代性，仍然为世界各国汽车复合材料行业特别是中国汽车复合材料行业所广泛采用。

图1 手糊成型工艺示意图

图2所示为手糊成型工艺流程。从该工艺流程可以看出，手糊成型工艺具有以下优点：不需要复杂的设备和模具，投资低；生产技术容易掌握，且产品不受尺寸形状的限制，适合小批量和大型制件的生产；可与其他材料如金属、木材及塑料泡沫等同时复合制成一体。这些优点使得手糊成型工艺至今仍然作为汽车复合材料的一种主要成型工艺而被用于小批量地加工各种汽车复合材料制品，如客车和重型卡车的前/后围面板、高顶、导流罩、引擎罩盖、保险杠、挡泥板以及休闲车、农用车的车身等。此外该工艺还被用于新车开发，如制造概念车和新车样件试制。

图2 手糊成型工艺流程

手糊成型工艺的缺点是生产效率低，生产周期长，工作环境差，因此对于大批量车型的产品不太适合。此外，由于这种工艺与操作人员的技能水平和制作环境条件有很大的关系，受此影响，在我国，由手糊成型工艺生产的汽车零部件的质量往往不够稳定，从而影响了汽车复合材料的声誉。

需要说明的是，手糊成型工艺并不是劣质汽车复合材料零部件的代名词。只要严格按照手糊成型工艺的流程和工艺规，准确掌握手糊工艺的技术要领，同样能够制作出一流水平的汽车复合材料制品。实际上，国外很多昂贵和精致的高档跑车以及在展会上熠熠生辉的很多概念车均出自于手糊成型工艺之手。图3所示的Chevrolet Corvette跑车，其车身即为用手糊成型工艺生产出来的。

图3 用手糊成型工艺生产的跑车车身

喷射成型工艺和技术

图4所示为喷射成型工艺(Spray Up Molding)示意图。该工艺是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤无捻粗纱由喷枪中心喷出，使其与树脂在空间均匀混合后沉积到模具上。当沉积到一定厚度时，用压辊滚压使纤维浸透树脂，排除气泡，在经常温固化后成型为汽车复合材料制品。喷射成型工艺是在手糊成型工艺的基础上发展起来的。由于该工艺是借助于机械的手工操作工艺，因此也被称为“半机械手糊成型工艺”。图5所示为该工艺的工艺流程。

图4 喷射成型工艺示意图

图5 喷射成型工艺流程

与手糊成型工艺相比，喷射成型工艺的效率提高了2～4倍甚至更高。其优点是：由于使用无捻粗纱代替了手糊工艺的玻璃纤维织物，因而材料成本更低；成型过程中无接缝，这使得制品的整体性和层间剪切强度更好；可自由调节产品的壁厚、纤维与树脂的比例以及纤维的长度，因而满足了汽车零部件的不同机械强度要求。由于喷射成型工艺具有效率高、成本低及产品尺寸形状不受限制的优点，因此该工艺在国外汽车复合材料行业中，有逐步取代传统的手糊成型工艺的趋势，例如，客车和重型卡车的很多前/后围面板、侧面护板、高顶及导流罩等都已由喷射成型工艺制作。

喷射成型工艺的缺点是：产品的均匀度在很大程度上取决于操作人员的操作熟练程度；由于喷射成型的树脂含量高且增强玻纤短，因而制品强度较低；阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制品生产难度大；生产现场工作环境恶劣，环境污染程度一般均大于其他的工艺方法；初期投资比手糊成型工艺大。尽管如此，近年来，喷射成型工艺的缺点正在得到极大的改善。在国外，已采用机械手编程来替代人工喷射，从而大大提高了产品质量的稳定性，原材料的损耗也被明显降低。同时，通过对生产现场采取全封闭的管理措施以及进行空气排放处理，使得环境污染问题得到明显改善。图6所示为采用喷射成型工艺生产的KENWORTH重卡高顶。

图6 采用喷射成型工艺生产的重卡高顶

缠绕成型工艺和技术

缠绕成型工艺(Filament Winding)是在控制纤维力和预定线型的条件下，将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定的规律连续地缠绕到相应于制品腔尺寸的芯模或衬上，然后在室温或加热条件下使之固化、脱模，获得一定形状的汽车复合材料制品，如图7所示。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。其中，湿法缠绕的应用最为普遍。湿法缠绕工艺顾名思义是将连续玻璃纤维粗纱或玻璃布带浸渍树脂胶后，直接缠绕到芯模或衬上而成型并经固化的成型方法。而干法缠绕一般仅用于高性能、高精度的尖端技术领域中。

图7 纤维缠绕成型工艺示意图

纤维缠绕成型工艺的优点是：能够按产品的受力状况设计缠绕规律，以充分发挥纤维的强度；比强度高。一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40%～60%；可靠性高。纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳定、精确；生产效率高。采用机械化或自动化生产，只需少数操作工人，缠绕速度快（240m/min）；成本低。在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和衬），使其再复合以达到最佳的技术经济效果。现在用纤维缠绕成型工艺生产的CNG/LPG高压气瓶、传动轴和板状弹簧等已广泛应用于大客车、轿车和卡车上。纤维缠绕成型工艺的缺点是：缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是具有凹形表面的制品。这是因为缠绕时，纤维不能紧贴在芯模表面，而是处于架空状态；缠绕成型需要有缠绕机、芯模、固化加热炉、脱模机及熟练的技术工人，不仅投资大，而且技术要求高，因此只有大批量生产时才能获得较大的经济技术效益。图8所示为采用纤维缠绕成型工艺生产的CNG乘用车用高压气瓶。

图8 采用纤维缠绕成型工艺生产的CNG车用气瓶