復(fù)合材料應(yīng)用于汽車行業(yè)最早開始于1953年，近年來，復(fù)合材料在汽車行業(yè)應(yīng)用中保持著持續(xù)增長的發(fā)展勢頭，并且這個趨勢還將繼續(xù)朝著向上方向發(fā)展。復(fù)合材料的用量之所以會在汽車行業(yè)中持續(xù)增長，是因為復(fù)合材料具備了許多優(yōu)秀的性能，如：強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕，并且與鋁材和鋼材相比，加工成本更低、設(shè)計的靈活性更強(qiáng)、更容易成型等等?？傊?，復(fù)合材料是汽車行業(yè)替代金屬材料的一個很好的可選項。然而，事實(shí)上在汽車制造領(lǐng)域，其制作材料并沒有完全直接從金屬材料轉(zhuǎn)換到復(fù)合材料，尤其在大批量生產(chǎn)的汽車方面，復(fù)合材料的應(yīng)用還是很有限的，這是因為有許多和復(fù)合材料使用相關(guān)的技術(shù)問題仍然沒有很好地得到解決，其中包括準(zhǔn)確的材料定性、生產(chǎn)、油漆、維修、和金屬材料的連接以及回收等問題。盡管近年來世界上復(fù)合材料的新材料、新工藝和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，從而在很大程度上使上述問題得到了改善，促進(jìn)了復(fù)合材料在各類汽車中的廣泛應(yīng)用，但也不能否認(rèn)復(fù)合材料在汽車上的廣泛應(yīng)用特別是在中國汽車行業(yè)真正廣泛應(yīng)用仍然存在應(yīng)用技術(shù)方面的各類問題，這需要我們?nèi)リP(guān)注，去研究，去探討，去實(shí)踐。

       本文就汽車復(fù)合材料的涂裝、連接、維修和回收等四大應(yīng)用技術(shù)問題進(jìn)行探討，以其拋磚引玉。

       汽車復(fù)合材料的涂裝

       在汽車工業(yè)中，汽車車身的外表油漆質(zhì)量是整車質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，因為車身油漆表面不僅起到保護(hù)車廂不被腐蝕的作用而且對汽車美化外觀有著十分重要的影響。因此，盡管汽車生產(chǎn)主機(jī)廠承認(rèn)復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬相比具有種種的優(yōu)點(diǎn)，但是他們對于復(fù)合材料經(jīng)噴涂后的表面是否具有同金屬表面一樣的質(zhì)量，仍持保留態(tài)度。事實(shí)上，復(fù)合材料在汽車車身面板方面使用中所遇到的一個最大的挑戰(zhàn)就是：復(fù)合材料經(jīng)涂裝后產(chǎn)生的瑕疵。

       我們以復(fù)合材料在汽車車身面板方面使用最多的片狀模塑料SMC部件為例，SMC車身部件在涂裝后通常會產(chǎn)生很多的表面瑕疵，例如：針眼、氣孔、裂紋、氣泡等，尤其在車身面板的邊緣區(qū)域氣泡情況較為嚴(yán)重。為了彌補(bǔ)這些缺陷，減少不合格產(chǎn)品率，提高部件的表面質(zhì)量，國內(nèi)生產(chǎn)廠家目前是通過大量的涂裝后修補(bǔ)手段如破泡、打磨、填膩?zhàn)印?a href='/news/search/key/%25E6%258A%259B%25E5%2585%2589.html' target='_blank'>拋光等來加以改進(jìn)，然后再按通常的涂裝工藝進(jìn)行表面再涂裝。這樣做的結(jié)果雖然減少了不合格品率，但增加了大量的后修補(bǔ)工序和再涂裝使生產(chǎn)成本大幅上升，另外也限制了SMC在A級車身面板上的應(yīng)用。

       SMC車身面板在涂裝后產(chǎn)生表面油漆瑕疵和起泡的原因絕大部分都?xì)w因于基質(zhì)中的微小孔隙和微裂紋。而這些微小孔隙和微裂紋常常是在生產(chǎn)及搬運(yùn)過程中不注意人為形成的，例如從部件的模壓到脫模到除邊的過程，以及從部件的包裝到運(yùn)輸?shù)倪^程，我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)，在部件的邊緣部分會產(chǎn)生許多微裂紋。正是這些看似微不足道的微小孔隙和微裂紋，在油漆噴涂過程中積聚了空氣中的水分和油漆中揮發(fā)性溶劑，當(dāng)油漆后的SMC部件通過烘箱高溫烘烤時，水分和溶劑膨脹蒸發(fā)變成氣泡逸出，造成已噴完漆的部件表面起泡或氣泡破裂變成氣孔、針眼等油漆瑕疵。

       就SMC部件在涂裝后產(chǎn)生的表面瑕疵，目前國外復(fù)合材料行業(yè)主要的做法是消除微孔隙和微裂紋，從根夲上杜絕產(chǎn)生油漆表面瑕疵的根源，收到了很好的效果，主要有以下幾方面的措施：

       1. 生產(chǎn)高強(qiáng)度、高韌性SMC樹脂。
       近年來，美國AOC公司和Thyssenkrupp Budd 公司聯(lián)合起來開發(fā)了Atryl® TCA一種新的SMC樹脂。這種SMC樹脂強(qiáng)度高，生產(chǎn)出的部件可減少50%的表面波痕（與傳統(tǒng)的SMC表面相比），并增加了69%的韌性（與傳統(tǒng)的SMC樹脂相比）。由于具有這些性能，可顯著地阻止在脫模過程及脫模后微裂紋的產(chǎn)生，這樣即使在重要的邊緣區(qū)域也不會產(chǎn)生微裂紋。

       2. 加強(qiáng)模壓工藝控制和模具技術(shù)進(jìn)步。
       通過改變SMC片材加料方式和片材鋪覆位置；增加材料的流動距離；使閉模過程中材料發(fā)生均勻位移等措施以達(dá)到減少SMC部件孔隙量。具體做法有采用PLC、 NCN控制復(fù)合材料壓機(jī)對不同部件的產(chǎn)品模壓工藝進(jìn)行對應(yīng)編程模壓控制；采用激光定位儀對材料鋪覆進(jìn)行正確定位等。另外對大型或復(fù)雜零部件采用真空輔助排氣模具，在真空條件下進(jìn)行模壓成型操作，這樣就可以顯著降低甚至消除SMC多孔性缺陷。

       3. 開發(fā)新型底漆涂料和新型涂裝工藝。
       2003年BASF公司針對SMC“油漆氣泡”難題，推出DynaSeal™ 紫外固化封孔劑，這種技術(shù)使得SMC部件在噴漆烘干前，通過紫外引發(fā)聚合反應(yīng)對SMC表面進(jìn)行封孔，在接下來的噴漆油漆固化中，這層紫外固化的封孔劑層可阻止SMC基體中吸收的揮發(fā)物逸出，從而避免了氣孔的產(chǎn)生。另外一個方法就是模內(nèi)涂層(IMC)。SMC在模具內(nèi)部完全固化了之后，操作人員注入一層液體的涂層材料，然后這層涂層材料在SMC的表面固化并填充滿所有的空隙，同時提供一層類似底漆的表面，防止了油漆氣泡的產(chǎn)生。|

       4. 文明生產(chǎn)，文明搬運(yùn)。
       SMC部件產(chǎn)生微裂紋很大程度上是從脫模到除邊的過程，以及從部件的包裝到運(yùn)輸?shù)倪^程中不文明生產(chǎn)和不文明搬運(yùn)造成的。因此加強(qiáng)文明生產(chǎn)和文明搬運(yùn)的教育至關(guān)重要，國外己普遍實(shí)行“產(chǎn)品不著地”的文明生產(chǎn)方式，在汽車復(fù)合材料行業(yè)大力推廣另件專用周轉(zhuǎn)箱（架）物流形式，減少了搬運(yùn)次數(shù)，不讓另件有互相碰撞機(jī)會，杜絕人為因素造成的微裂紋產(chǎn)生。

       以上介紹的國外幾種新材料、新工藝、新技術(shù)著眼從根源上解決汽車復(fù)合材料在涂裝方面不盡人意的缺陷，消除限制復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的障礙，使復(fù)合材料車身面板能夠達(dá)到或超過傳統(tǒng)的鋼鐵材料的油漆的水平，從而使汽車復(fù)合材料的應(yīng)用將日益廣泛。

       汽車復(fù)合材料的連接和固定

       隨著汽車復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛，汽車復(fù)合材料部件之間的組合裝配以及復(fù)合材料部件與鄰近金屬零部件的連接固定的問題日益突出，汽車行業(yè)傳統(tǒng)金屬零部件之間的連接方式已不能適應(yīng)客觀需求了，在此情況下，我們有必要對汽車復(fù)合材料的連接與固定的連接方式進(jìn)行新的學(xué)習(xí)和認(rèn)識，并進(jìn)行合理的選擇。根據(jù)國外成熟的經(jīng)驗，汽車復(fù)合材料連接固定的方式主要有三種方式：（1）機(jī)械緊固；（2）粘結(jié)劑粘接；（3）焊接/熔接。

       機(jī)械緊固這種連接固定方法使用的是鉚釘和螺栓，是最普及也是最容易理解的一種連接方式。對汽車行業(yè)來說，機(jī)械緊固連接方式有許多不足之處，如：重量增加、應(yīng)力集中、部件之間的交迭、高公差的要求、電蝕性等。但是，從另一方面說，機(jī)械連接不需要對表面進(jìn)行處理或后續(xù)的拋光，這樣重復(fù)拆卸就很方便（如：檢查、維修和回收）。相對而言，對環(huán)境的影響也不是很敏感，如溫度的影響等。

       粘結(jié)劑粘接連接固定方法相對于機(jī)械緊固連接固定方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：減輕結(jié)構(gòu)重量，外觀平整光滑，改善疲勞強(qiáng)度，適應(yīng)性強(qiáng)，最適合薄壁部件的連接，粘接工藝簡單，可縮短生產(chǎn)周期。,但粘結(jié)劑粘接連接固定方法也存在一些缺點(diǎn)，如另部件的工作溫度范圍不高；粘接質(zhì)量易受不同因素影響，產(chǎn)品性能的分散性較大；沒有可靠的檢驗方法；粘接面的表面處理和粘接工藝過程要求較嚴(yán)；需要專用的加熱加壓處理粘接工裝等。因此，在一些重要的部件和連接位置，往往會采用粘接與某一種機(jī)械緊固連接的混合連接固定方法，既充分利用了粘接的優(yōu)點(diǎn)，又確保了連接部位的足夠強(qiáng)度和可靠性。

       焊接/熔接連接固定方法主要應(yīng)用于熱塑性汽車復(fù)合材料部件，焊接/熔接連接固定方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：良好的機(jī)械性能、連接處的耐用性、加工時間短，易于在線檢測以及部件表面處理要求低等?？梢杂糜跓崴苄云噺?fù)合材料的焊接/熔接連接固定方法主要有三種：（1）超聲波焊接/熔接、（2）電感應(yīng)焊接/熔接（3）電阻焊接/熔接。對汽車復(fù)合材料進(jìn)行焊接/熔接有以下不足之處：不易拆卸、需要添加導(dǎo)電性的填料（針對電感應(yīng)焊接/熔接）、需要使用金屬網(wǎng)（針對電阻焊接/熔接）、可允許的碳纖維含量很低（所有三種焊接/熔接工藝）等。

       根據(jù)上述簡單介紹，我們知道汽車復(fù)合材料連接固定的方式主要有三種，每一種都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。但相對而言，最有發(fā)展?jié)摿Φ钠噺?fù)合材料連接工藝是采用粘結(jié)劑連接固定方法，隨著粘結(jié)劑向著功能性不斷提高、具有雙重效力（既可以粘結(jié)熱固性復(fù)合材料又可以粘結(jié)熱塑性復(fù)合材料）以及綠色環(huán)保的方向發(fā)展，汽車復(fù)合材料粘結(jié)劑連接固定方法正日益為汽車工業(yè)所重視、接受并盛行起來。限于篇幅，本節(jié)汽車復(fù)合材料的連接和固定，主要討論粘結(jié)劑粘接連接固定方法。

       汽車復(fù)合材料粘結(jié)劑粘接連接固定方法的優(yōu)點(diǎn)

       近年來，由于高性能結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的出現(xiàn)，使得采用粘結(jié)劑粘接的連接方式不斷得到人們的認(rèn)可。作為一種最有發(fā)展?jié)摿Φ倪B接固定工藝，它有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：
       1、 可以根據(jù)具體的設(shè)計要求(如：防撞擊性能)來決定粘結(jié)劑的機(jī)械性能；
       2、 粘結(jié)劑的超抗疲勞和耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)可以延長產(chǎn)品的使用壽命；
       3、 粘結(jié)劑具有很好的密封性；
       4、 兩種材料或結(jié)構(gòu)粘接在一起可以實(shí)現(xiàn)比較光滑的表面，具有造型設(shè)計上的優(yōu)勢；
       5、 通過整個的粘接區(qū)域來分散部件所受的負(fù)荷，從而避免了局部最大壓力的集中；
       6、 粘結(jié)劑填充空隙的特點(diǎn)可允許部件有一定的公差；
       7、 可對粘結(jié)劑的硬度進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化整個產(chǎn)品的硬度

       汽車復(fù)合材料常用結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的種類

       一般來說，汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑通常使用環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂和丙烯酸酯樹脂為基礎(chǔ)的三大類粘結(jié)劑，該三大類粘結(jié)劑在使用中也各具特點(diǎn)，應(yīng)該準(zhǔn)對不同的材料和要求進(jìn)行不同的選擇：

       環(huán)氧基粘結(jié)劑：對復(fù)合材料、熱固性塑料和金屬粘接性極好；強(qiáng)度、撓度和彈性都很高；固化過程收縮性最小。分為單、雙組份兩種。單組份環(huán)氧粘接劑要求熱固化，應(yīng)用條件要求很嚴(yán)。

       聚氨酯基粘結(jié)劑：對絕大部分復(fù)合材料和塑料的粘接性極好；對金屬的粘接性較好；機(jī)械性能從剛性到撓性范圍大；持久性好；但加工過程中對潮濕敏感；固化速度的范圍較廣。

       丙烯酸基粘結(jié)劑：對復(fù)合材料和熱固性塑料的粘接性極好；對金屬的粘接性好；允許被粘件進(jìn)行較差的預(yù)處理；能達(dá)到高強(qiáng)度與高韌性的最佳結(jié)合；耐化學(xué)性好，有效使用期長；固化速度快；但有惡臭；固化過程中收縮性較高。

       表1為汽車復(fù)合材料三類結(jié)構(gòu)粘接劑的典型性能，由于結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的品種繁多，使用的要求又各不相同，所以應(yīng)以實(shí)際使用結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的性能為準(zhǔn)，表中數(shù)值僅供參考。

       汽車復(fù)合材料粘接前的表面處理

       汽車復(fù)合材料（尤其是熱塑性汽車復(fù)合材料）的表面能都相對較低，所以在使用結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑之前，需要對汽車復(fù)合材料表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，以去除表面的污垢、粉塵、油污、油脂、水分、脫模劑和增塑劑等，同時，提高基材的表面能，使其高于結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的表面能量，從而確保結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑能夠充分潤濕基材表面，這對于實(shí)現(xiàn)堅固可靠且耐久的粘接是至關(guān)重要的。下面，將介紹三種常用的表面處理方法。

       1. 溶劑擦拭法
       這是最簡單的表面處理方式，能夠去除粘接表面的蠟質(zhì)、油污和其他小分子量的污染物。這項技術(shù)要求污染物可溶于溶劑，且溶劑本身不含溶解的污染物。為此，對溶劑的選擇就顯得非常重要。一般，常用的溶劑包括：丙酮、丁酮、甲基異丁基酮、二甲苯、三氯乙烯、乙醇和異丙醇等，在擦拭中應(yīng)注意使用清潔的無塵擦布或紙巾。但這種表面處理方法的缺點(diǎn)是：溶劑可能會對基材產(chǎn)生不良影響，如熱塑性復(fù)合材料可能會被溶解，顯現(xiàn)出應(yīng)力裂紋或龜裂；可能會造成交叉污染，如樣品與樣品之間的污染、重復(fù)使用或浸入到溶劑中的擦布的污染等；產(chǎn)生的蒸汽可能會危害工人的健康；不適用于大規(guī)模的生產(chǎn)要求（大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)可選用蒸汽脫脂和超聲波蒸汽脫脂的方法）。

       2. 打磨法
       打磨可去除表面污染物，并獲得高度毛化的表面，從而增加結(jié)構(gòu)粘接劑的粘接接觸面，以產(chǎn)生“咬合效應(yīng)”。常用的打磨方法包括：采用鋼絲刷、砂紙或銼削等的手工打磨；采用砂帶、砂輪或噴丸/噴砂等的自動打磨；以及相對較快，對操作者依賴性低且重復(fù)性和成本效益均較好的機(jī)械打磨等。

       3. 火焰處理法
       火焰處理是利用氣體或氣體/氧氣火焰，對表面進(jìn)行部分氧化，以產(chǎn)生極性基，從而提高聚合物的表面能。此技術(shù)所處理的基材厚度較采用電暈預(yù)處理的基材厚度大，尤其適用于不均勻的熱塑性復(fù)合材料制品。其優(yōu)點(diǎn)是：氣體與氧氣的比例、流量、暴露時間和火焰與基材的距離易于調(diào)節(jié)，已被證實(shí)是適用于聚丙烯類復(fù)合材料的較有效的方法。

       汽車復(fù)合材料粘接前的表面處理除了以上介紹三種常用的表面處理方法外，還有一些相對先進(jìn)和準(zhǔn)對特殊粘接要求的復(fù)雜的表面處理技術(shù)，如等離子體處理 電暈放電處理 化學(xué)處理等。但無論采用那種表面處理方法，關(guān)鍵是要求有清潔的粘接表面和確保粘結(jié)劑能夠充分潤濕基材，這是我們應(yīng)該嚴(yán)格加以關(guān)注的。

       汽車復(fù)合材料粘接接頭的設(shè)計

       汽車復(fù)合材料粘結(jié)劑粘接連接固定方法除了粘結(jié)劑的選擇與配制以及粘接表面處理是很關(guān)鍵的步驟外，粘接接頭的設(shè)計好壞同樣將直接影響到粘接性能和強(qiáng)度。汽車復(fù)合材料粘接接頭設(shè)計的一般原則是：保證粘接面上應(yīng)力分布均勻；將應(yīng)力減少到最小限度，使之純粹受拉力和剪切力；盡可能擴(kuò)大粘接面積等。汽車復(fù)合材料粘接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式也是多種多樣的，根據(jù)被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式；根據(jù)材料的粘接方式又可分為對接、搭接、插接、對切雙搭接等等。從接頭形式看，一般認(rèn)為插接結(jié)構(gòu)比較理想，其次是搭接和斜搭接。但在實(shí)際應(yīng)用中，主要根據(jù)被粘接制品的結(jié)構(gòu)和需粘接的部位而具體確定。