可在線涂裝的“碳纖維/鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)汽車B柱分總成的研發(fā)

蘇一暢 王方玉 張然然 熊建民 王納新 谷長棟

（1.浙江眾泰汽車制造有限公司，金華 312301；2.浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310007）

1 前言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等特點(diǎn)[1-3]，近年來在汽車上的應(yīng)用逐漸增加，例如寶馬i3 的碳纖維車身骨架及可回收的碳纖維車頂、通用的Ultralite、福特GT40 的碳纖維車身等[4]。英國GKN技術(shù)公司開發(fā)了碳纖維傳動(dòng)軸，質(zhì)量減輕50%～60%，抗扭性和彎曲剛度分別比鋼增加了10 倍和15 倍[5]。近幾年，國產(chǎn)汽車企業(yè)也開始開發(fā)碳纖維零部件，車用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成為輕量化研發(fā)的熱點(diǎn)[6]。

碳纖維件的成型工藝主要包括熱壓罐、真空袋壓、真空樹脂灌注成型、模壓、樹脂傳遞模塑(RTM)和纏繞工藝等[7]。適當(dāng)?shù)某尚凸に嚥粌H能保證結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能、減少成型缺陷，還能提高成型效率、降低成本[8]。汽車外飾件一般采用真空樹脂灌注成型，在真空狀態(tài)下排除碳纖維織物中的氣體，通過液態(tài)樹脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)纖維與樹脂的共固化[9]。對于B 柱加強(qiáng)件類結(jié)構(gòu)件，一般采用預(yù)浸料真空袋壓、RTM 或熱壓罐工藝。

真空袋壓工藝是將碳纖維預(yù)浸料鋪疊后，在真空壓力條件下加熱固化的成型方法[4]。熱壓罐成型是將碳纖維預(yù)浸料按鋪層要求鋪放于模具上，將毛坯密封在真空袋后放置于熱壓罐中成型，該工藝不易發(fā)生孔隙、干斑、表面質(zhì)量較差的問題[10]，可得到表面與內(nèi)部質(zhì)量高，形狀復(fù)雜，面積較大的復(fù)合材料制件[11]。烏云其其格等通過熱壓罐法、模壓法和真空袋法成型復(fù)合材料層壓板，進(jìn)行性能測試并對比。結(jié)果表明，模壓成型和熱壓罐成型的層壓板力學(xué)性能相當(dāng)，略高于真空袋成型[12]。

碳纖維的連接技術(shù)也與傳統(tǒng)鋼件不同，鋼制零部件連接主要采用焊接、結(jié)構(gòu)膠粘接與機(jī)械連接，碳纖維零部件與鋼件的連接方式有膠接、機(jī)械連接和膠鉚混合連接等，其中膠接工藝具有連接效率高、抗疲勞、表面光滑等突出優(yōu)點(diǎn)[13]，尤其適用于因空間限制無法布置機(jī)械連接的車身零件連接。

在碳纖維的鋪層設(shè)計(jì)方面，程章等[14]用拉丁超立方采樣和有限元方法建立了Kriging 模型，用遺傳算法計(jì)算出合理的碳纖維鋪層順序，開發(fā)的碳纖維翼子板減重43.1%，剛度提高12.3%。喬鑫等[15]以整車自由模態(tài)頻率、彎曲剛度、抗壓性能為優(yōu)化目標(biāo)研究頂蓋復(fù)合材料前橫梁，優(yōu)化后的鋪層方案性能優(yōu)于初始設(shè)計(jì)方案。徐作文[16]等研發(fā)的碳纖維前車門的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度均比鋼件提升，碰撞侵入量和速度降低，重量降低了54.94%。肖志等[17]基于抗雪壓性能需求，對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車頂蓋結(jié)構(gòu)開展了多層次鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)，比原始鋼制件減重59.3%。

如何開發(fā)出滿足汽車生產(chǎn)要求的碳纖維零部件成型、連接和涂裝等工藝[18-19]是目前碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的難點(diǎn)。目前針對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身件、底盤件及其它零部件的研發(fā)越來越多[20-21]。

采用CFRP 制作B 柱，在線涂裝是1 個(gè)需解決的瓶頸問題[7，22]。碳纖維車身結(jié)構(gòu)件與白車身一起經(jīng)過在線涂裝和烘干工序后，碳纖維零件、連接部位的強(qiáng)度是否滿足性能要求是個(gè)問題。針對汽車的重要結(jié)構(gòu)件——汽車B 柱分總成的開發(fā)進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)，目的是研發(fā)可在線涂裝的復(fù)合結(jié)構(gòu)B 柱分總成，為碳纖維汽車結(jié)構(gòu)件的研發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

2 材料、工藝、試驗(yàn)方法、儀器設(shè)備

2.1 主要材料

a.碳纖維預(yù)浸料：T300，12k，UD1500 單向，中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司；

b.碳纖維層壓板：層壓板是由2 層或多層同種或不同種材料粘合而成的板材（國標(biāo)GB/T 3961-2009 中3.80 規(guī)定[23]），采用國產(chǎn)中復(fù)神鷹T300 碳纖維預(yù)浸料，按2.4 節(jié)中的力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制成層壓板，以下簡稱層壓板；

c.用于鋼板與碳纖維粘接的結(jié)構(gòu)膠：LORD 850 丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠、MA830 丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠。

2.2 CFRP成型工藝

CFRP 層壓板及B 柱中部支撐板采用2 種工藝成型，分別為真空袋壓成型工藝和熱壓罐成型工藝。

a.真空袋壓工藝流程為模具處理、CFRP 預(yù)浸料裁剪、鋪層、抽真空、升溫固化成型、脫模、后處理。成型壓力0.1 MPa，室溫固化。

b.熱壓罐工藝流程為模具處理、CFRP 預(yù)浸料裁剪、鋪層、封裝、熱壓罐固化成型（抽真空同時(shí)加壓）、脫模、后處理。成型壓力0.4 MPa，120 ℃固化，固化時(shí)間2 h。

2.3 汽車B柱分總成的組成

a.鋼制B 柱分總成：用于進(jìn)行性能比較，由HC340/590DP 鋼制B 柱中部支撐板（中國武鋼）與B柱加強(qiáng)板（WHT1500HF，中國武鋼）焊接制成（圖1a）。

b.“碳纖維/鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)汽車B 柱分總成：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料B 柱中部支撐板（本項(xiàng)目制備）與B 柱加強(qiáng)板（WHT1500HF，中國武鋼）采用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)制成（圖1b）。

2.4 試驗(yàn)方法

a.力學(xué)性能試驗(yàn)：CFRP 層壓板試樣采用CNC雕刻機(jī)切割，試樣尺寸及力學(xué)性能試驗(yàn)按照GB/T 3354—2014[24]、GB/T 1446—2005[25]、GB/T 3355—2014[26]進(jìn)行。

圖1 B柱分總成模型圖

b.結(jié)構(gòu)膠性能試驗(yàn)方法：CFRP層壓板試樣和鋼板樣條膠粘面進(jìn)行打磨處理，鋼板樣條采用激光切割；結(jié)構(gòu)膠性能試驗(yàn)按照ISO 4587-2003[27]進(jìn)行。

c.B 柱分總成彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法：參照YB/T 5349—2014[28]和GB/T 1449—2005[29]進(jìn)行彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)。其中約束點(diǎn)間距為550 mm，保持時(shí)間為10 s，加載速度為1.0 mm/s，加載方式為位控加載，最大位移為130 mm。

2.5 主要儀器及設(shè)備

a.三坐標(biāo)掃描儀：C-TRACK780，上海型創(chuàng)；

b.萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)：30 t 液壓夾持，MTS 美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)；

c.侵入試驗(yàn)臺(tái)（彎曲試驗(yàn)用）：ATC15040，控制載荷范圍為0～80 kN，載荷傳感器額定載荷為100 kN，機(jī)械工業(yè)部汽車工業(yè)天津規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院。

3 成型方式、在線涂裝對CFRP 性能及粘接性能的影響

3.1 成型方式和在線涂裝對CFRP力學(xué)性能、外觀質(zhì)量及變形量的影響

3.1.1 成型方式和在線涂裝對CFRP 力學(xué)性能的影響

CFRP 層壓板力學(xué)性能見圖2。采用2 種工藝成型T300 碳纖維預(yù)浸料CFRP 層壓板，并將采用熱壓罐工藝成型的CFRP 層壓板隨白車身在線涂裝，涂裝生產(chǎn)線的烘烤工藝為涂裝烘烤（180 ℃，30 min）、中涂預(yù)烘烤（160 ℃，15 min）、中涂烘烤（140 ℃，30 min）、面漆烘烤（160 ℃，30 min）。在3種樣板上取樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度測試，每種測試取6 個(gè)有效試樣平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。真空袋壓工藝成型層壓板、熱壓罐工藝成型層壓板、熱壓罐工藝成型層壓板的測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 CFRP層壓板力學(xué)性能

對于汽車B 柱，影響安全性能的主要受力方向?yàn)閅向，因此CFRP 層壓板的0°拉伸強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度是關(guān)鍵指標(biāo)，90°拉伸強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度在此不做討論。由圖2 可以看出，熱壓罐成型的CFRP 層壓板的0°拉伸強(qiáng)度比真空袋壓成型層壓板高2.9%；熱壓罐成型的CFRP 層壓板的0°壓縮強(qiáng)度比真空袋壓成型層壓板高2.0%。同時(shí)，熱壓罐成型CFRP層壓板的面內(nèi)剪切強(qiáng)度比真空袋壓成型層壓板高68.24%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，熱壓罐成型的層壓板主要力學(xué)性能最優(yōu)。

對比圖2 中的結(jié)果還可見，涂裝后的熱壓罐成型層壓板0°拉伸壓縮強(qiáng)度比涂裝前提高10%～20%，面內(nèi)剪切強(qiáng)度降低≤5%，經(jīng)仿真分析不影響零件性能。

3.1.2 在線涂裝對CFRP 外觀質(zhì)量的影響

將真空袋壓和熱壓罐2 種成型工藝制備的CFRP 層壓板進(jìn)行在線涂裝后外觀評(píng)價(jià)，板厚為1.5～5.0 mm，結(jié)果見表1。

表1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板涂裝后外觀質(zhì)量

由表1 可見，真空袋壓工藝成型的CFRP 層壓板厚度＜2.5 mm 時(shí)未出現(xiàn)缺陷，在厚度＞3.0 mm時(shí)出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，因此當(dāng)CFRP 零件厚度＞2.5 mm時(shí)，涂裝后有出現(xiàn)外觀缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。而熱壓罐工藝成型的層壓板在1.5～5.0 mm 板厚的范圍內(nèi)均未出現(xiàn)缺陷，可靠性較高。

3.1.3 在線涂裝對CFRP 變形量的影響

采用性能最優(yōu)的熱壓罐成型CFRP 層壓板進(jìn)行在線涂裝前后三坐標(biāo)掃描，涂裝前后的變形量結(jié)果見表2。

表2 CFRP層壓板涂裝后變形量mm

表2 的測試結(jié)果表明，熱壓罐成型CFRP 層壓板在涂裝前后隨機(jī)取點(diǎn)變形量平均值分別為0.072 6 mm和0.273 2 mm，所有測試點(diǎn)的最大變形量是0.387 3 mm，滿足一般型面尺寸配合公差±0.5 mm的要求。

3.2 在線涂裝對“碳纖維/鋼”粘接性能的影響

3.2.1 結(jié)構(gòu)膠性能的研究

圖3 比較了2 種結(jié)構(gòu)膠的施工性能和耐環(huán)境性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，除粘度變化率略低，LORD850 結(jié)構(gòu)膠的施工性能與力學(xué)性能均優(yōu)于MA830 結(jié)構(gòu)膠。

圖3 MA830與LORD850結(jié)構(gòu)膠性能及耐環(huán)境性能

LORD850 結(jié)構(gòu)膠的粘度變化率滿足施工要求，且其可施工時(shí)間比MA830 結(jié)構(gòu)膠增加了2 倍以上，因此，經(jīng)過綜合比較，LORD850 結(jié)構(gòu)膠的施工性能和耐環(huán)境性能較優(yōu)。

3.2.2 “碳纖維/鋼”試樣在線涂裝前后性能的研究

采用2 種結(jié)構(gòu)膠粘接碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與型號(hào)為WHT1500HF 的鋼板，并將粘接后的“碳纖維/鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣隨白車身在線涂裝，研究其粘接性能。

2種結(jié)構(gòu)膠粘接的“碳纖維/鋼”試樣涂裝前后的粘接強(qiáng)度見圖4。由圖4可知，涂裝前，采用LORD850結(jié)構(gòu)膠粘接的試樣的拉伸強(qiáng)度為18.16 MPa，比MA830的15.5 MPa高17.2%；涂裝后，LORD850結(jié)構(gòu)膠粘接試樣的拉伸強(qiáng)度為20.4 MPa，低于MA830粘接試樣涂裝后的拉伸強(qiáng)度27.13 MPa，但比自身涂裝前的拉伸強(qiáng)度18.16 MPa提高12.3%。

圖4 涂裝前后“碳纖維/鋼”粘結(jié)強(qiáng)度

圖4還可以看到結(jié)構(gòu)膠對復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣剪切強(qiáng)度的影響。涂裝前，采用LORD850結(jié)構(gòu)膠粘接試樣的剪切強(qiáng)度是12.83 MPa，比MA830 的剪切強(qiáng)度12.03 MPa高6.7%；涂裝后，LORD850結(jié)構(gòu)膠結(jié)的試樣的剪切強(qiáng)度為15.6 MPa，比涂裝前的12.83 MPa提高21.6%，且比MA830涂裝后的剪切強(qiáng)度12.67 MPa高23.1%。

綜合圖3 和圖4 試驗(yàn)結(jié)果，表明LORD850 結(jié)構(gòu)膠的性能更佳，涂裝后的結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度較涂裝前提高10%以上，因此，采用LORD850結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可滿足在線涂裝的要求。

4 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料B 柱中部支撐板的設(shè)計(jì)方案及性能研究

4.1 鋪層設(shè)計(jì)方案及減重效果

經(jīng)過仿真分析及優(yōu)化，確定CFRP B柱中部支撐板的鋪層設(shè)計(jì)方案：(45,0,-45,0,-45,0,90,0,45,90)s，共20 層，單層厚度0.133 mm，總厚度2.66 mm。此鋪層設(shè)計(jì)的T700 碳纖維預(yù)浸料熱壓罐成型B 柱中部支撐板零件質(zhì)量與鋼板零件質(zhì)量對比見表3。

表3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼制B柱中部支撐板質(zhì)量對比

CFRP 的B 柱中部支撐板單件質(zhì)量為0.483 kg，車輛的雙側(cè)使用該零件比金屬材料方案共減重1.72 kg，減重百分比為64.1%，獲得了優(yōu)異的減重效果。

4.2 B柱中部支撐板的模態(tài)及力學(xué)性能的研究

針對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料B 柱中部支撐板和鋼制B 柱中部支撐板的模態(tài)和性能進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果見表4。

表4 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼B柱中部支撐板有限元分析結(jié)果

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的B 柱中部支撐板結(jié)構(gòu)相比鋼制方案結(jié)構(gòu)自由模態(tài)頻率提高48.0%，軸向壓縮剛度提高22.6%，后向彎曲剛度提高15.4%，側(cè)向彎曲剛度提高130.1%，三點(diǎn)彎最大接觸應(yīng)力提高192.0%。CFRP B 柱中部支撐板的性能和輕量化水平有較大幅度的提高。

5 “碳纖維/鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)汽車B 柱分總成強(qiáng)度性能的研究

5.1 B柱分總成彎曲性能的有限元分析及試驗(yàn)

將熱壓罐成型的碳纖維B 柱中部支撐板和鋼制B 柱加強(qiáng)板使用LORD850 結(jié)構(gòu)膠粘接后，制成“碳纖維/鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)B 柱分總成，經(jīng)過在線涂裝后，研究其三點(diǎn)彎曲性能。為了比較，傳統(tǒng)的鋼制B 柱分總成與其一同試驗(yàn)。

圖5、圖6 分別為B 柱分總成三點(diǎn)彎有限元仿真加載位置示意圖與零件試驗(yàn)圖，試驗(yàn)工裝加載位置與三點(diǎn)彎有限元仿真的位置一致。

圖5 有限元仿真圖示

圖6 B柱分總成彎曲試驗(yàn)

5.2 B 柱分總成彎曲性能的有限元分析及試驗(yàn)結(jié)果研究

圖7 為2 種B 柱分總成三點(diǎn)彎強(qiáng)度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果，仿真分析中最大接觸應(yīng)力即彎曲試驗(yàn)的最大彎曲應(yīng)力。如圖7 所示，三點(diǎn)彎仿真結(jié)果表明，“碳纖維/鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)B 柱分總成的最大接觸應(yīng)力為45 349 N/m2，鋼制B 柱分總成最大接觸應(yīng)力為44 935 N/m2，復(fù)合結(jié)構(gòu)B 柱分總成比鋼制總成高0.9%；在2種分總成的實(shí)際彎曲試驗(yàn)中，“碳纖維/鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)B柱分總成的最大彎曲應(yīng)力為45 859 N/m2，鋼制B 柱分總成最大彎曲應(yīng)力為44 288 N/m2，復(fù)合結(jié)構(gòu)B柱分總成比鋼制總成高3.5%。

因此，B 柱分總成的強(qiáng)度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。說明按當(dāng)前材料設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料B 柱中部支撐板性能優(yōu)于鋼制B 柱中部支撐板。

圖7 B柱分總成仿真與試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

a.熱壓罐成型的CFRP 層壓板的0°拉伸強(qiáng)度、0°壓縮強(qiáng)度以及面內(nèi)剪切強(qiáng)度均比真空袋壓成型層壓板高。厚度為1.5～5.0 mm 的熱壓罐成型層壓板涂裝后的外觀質(zhì)量好，在線涂裝后的變形量滿足要求。

b.開發(fā)了室溫固化結(jié)構(gòu)膠，耐環(huán)境性能試驗(yàn)表明，LORD850 結(jié)構(gòu)膠的施工性能與力學(xué)性能較優(yōu)，可滿足粘接性能的要求。

c.熱壓罐成型的CFRP 層壓板與鋼板粘結(jié)后在線涂裝，“碳纖維/鋼”的粘接強(qiáng)度比涂裝前有所提高，可滿足零件裝配要求。

d.研發(fā)了較優(yōu)的鋪層方案制成CFRP B 柱中部支撐板，相比金屬零件結(jié)構(gòu)自由模態(tài)頻率提高48.0%；軸向壓縮剛度提高22.6%；后向彎曲剛度提高15.4%；側(cè)向彎曲剛度提高130.1%；三點(diǎn)彎最大接觸應(yīng)力提高192.0%。CFRP 中部支撐板比鋼板方案減重64.1%，達(dá)到了優(yōu)異的減重效果。

e.經(jīng)過仿真分析和試驗(yàn)，在線涂裝后的“碳纖維/鋼”復(fù)合結(jié)構(gòu)B 柱分總成的最大接觸應(yīng)力比鋼制B 柱分總成高3.5%以上，很好地解決了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的在線涂裝問題。