碳纖維復(fù)合材料表面涂裝工藝研究

楊利軍 林社超

摘要：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）由作為增強材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成，早期碳纖維材料主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著制造工藝技術(shù)及設(shè)備的不斷發(fā)展，CFRP在一般工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。相比傳統(tǒng)材料，CFRP具有比強度高、比模量高、質(zhì)量輕、抗疲勞性能好及減振性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點。復(fù)合材料匯聚了2種材料的優(yōu)勢，各組分在性能上起協(xié)同作用，具有單一材料無法比擬的優(yōu)越綜合性能。在汽車行業(yè)，CFRP應(yīng)用于汽車外飾件、汽車結(jié)構(gòu)件等的設(shè)計與制造。

關(guān)鍵詞：碳纖維材料;涂裝工藝;基材質(zhì)量

1碳纖維復(fù)合材料的涂裝工藝流程

1.1碳纖維基材表面預(yù)處理

碳纖維基材在來料時，往往帶有以下缺陷：表面不平，樹脂富集，樹脂缺失，白點，針孔，顆粒等。對后續(xù)的噴涂質(zhì)量影響較大，需要對其進行表面處理。表面處理的具體工藝為：采用砂紙對表面進行打磨，主要目的是去除表面殘留的脫模劑，對表面進行粗化以增強涂料的附著力，更大限度地暴露覆蓋在樹脂表面的針孔。在打磨完成之后，對于基材缺損處使用樹脂進行修補，之后進行烘烤，打磨修復(fù)直至表面平整。隨后整車噴涂底漆，待固化之后檢查表面質(zhì)量狀態(tài)，如還存有類似顆粒、針孔、表面不平等影響后續(xù)外觀質(zhì)量的缺陷，則對缺陷處進行打磨處理，重復(fù)噴涂作業(yè)直至外觀質(zhì)量符合要求。對于Polestar1車型來講，以上工作是在碳纖維供應(yīng)商處完成，達到來件質(zhì)量標準之后送至極星汽車廠，到廠后檢查出的來件質(zhì)量問題以駐廠供應(yīng)商返修為主。

1.2基材打磨

待白車身運轉(zhuǎn)到涂裝車間之后，首先進行整車打磨，主要的工藝步驟包括擦拭，檢查，打磨，除塵。打磨工藝的目的是去除來件表面的顆粒、劃痕、毛刺等，同時增加底漆與中涂之間的附著力。

第1步為擦拭，采用異丙醇與純水（體積比1∶1）的混合液，用擦拭布對車身內(nèi)外表面進行整體擦拭，除去車身表面的油污，擦拭的要點為由內(nèi)至外、由上至下、由前至后，擦拭動作方向一致，避免來回擦拭，以防止油污殘留。

第2步為檢查，擦拭完成后，佩戴手套，對車身整體質(zhì)量進行檢查，檢查的步驟方法與擦拭一致，尤其要注意尖角處，部件交界處的涂裝缺陷。

第3步為打磨，步驟方法與擦拭一致，對于平面的打磨采用打磨機完成，凹凸面及部件邊緣的打磨采用手工打磨完成，打磨過程中采用畫圓的打磨手法。打磨時應(yīng)謹慎對待造型線附近區(qū)域的打磨，不要破壞現(xiàn)有的車身造型線，如，腰線、引擎蓋造型線等。

第4步為除塵，在打磨完成之后，要對遺留的打磨灰進行最大限度的清理，以增加底漆與中涂之間的附著力。除了采用帶有真空集灰設(shè)備的Festool打磨機及時處理打磨過程中產(chǎn)生的打磨灰，在打磨完成后，需要增加吹灰、真空吸塵器吸灰及濕抹布擦拭除灰工藝;尤其是在內(nèi)腔殘留的打磨灰如未能得到有效的清理，在后續(xù)噴涂過程中，很容易形成質(zhì)量缺陷。

1.3中涂

中涂工藝與傳統(tǒng)噴漆工藝一致，在對噴漆表面進行擦拭除塵之后進行噴漆作業(yè)。由于Polestar1上車身為碳纖維復(fù)合材料，烘烤溫度過高有破壞零件強度的風險，如，出現(xiàn)分層、零件變形等缺陷，長時間烘烤溫度建議為80℃，短時間烘烤可采用100℃。為了配合碳纖維復(fù)合材料對低溫烘烤的需求，Polestar1車型上使用的中涂為BASF提供的低溫烘烤水性雙組分涂料，中涂膜厚下限為30μm且不能出現(xiàn)流掛，中涂涂裝完成后，流平10min，送至中涂烘爐中在80℃烘烤60min，完成中涂工藝。

1.4中涂打磨

中涂后，車身再次轉(zhuǎn)運至打磨間進行整車身打磨，打磨流程與基材打磨一致。此次打磨采用更為細膩的打磨紙，現(xiàn)場使用的是800#打磨紙。主要目的是處理中涂涂層的缺陷，增加中涂與色漆層之間的附著力。在中涂打磨過程中，要注意檢查是否有針孔，發(fā)現(xiàn)針孔需要用單組分修補漆進行修復(fù)。另外，為了減少打磨灰對面漆噴涂（亞光清漆）的影響，在完成中涂打磨之后，采用塑料薄膜對車身底盤，門內(nèi)板進行遮蔽。總之，要盡可能去除打磨灰，避免打磨灰對面漆噴涂造成缺陷。

1.5面漆

面漆工藝包括色漆和罩光清漆。車身在潔凈間完成包括靜電除塵、溶劑擦拭、粘塵等一系列準備工作之后，首先進行色漆層的涂裝，Polestar1車身采用的色漆為水性色漆，除珠光白顏色的白底為雙組分涂料外，其余顏色均為單組分涂料。色漆噴涂完成后送至閃干爐進行閃干，工藝條件為70℃、6min。待車身冷卻降溫后，涂裝罩光清漆，Polestar1車身采用的清漆為溶劑型雙組分低溫清漆，共有高光清漆和亞光清漆2種類型，烘干條件為80℃、60min。高光清漆的噴涂與傳統(tǒng)噴涂一致，對亞光清漆的噴涂而言，有很多注意事項。

1.6拋光精修

完成面漆工藝之后，在拋光時對表面質(zhì)量先進行全面檢查，對于類似清漆顆粒、流掛、橘皮、失光等可以進行打磨拋光處理，消除漆膜表面的細小缺陷，增加漆膜的光澤與平滑度，其他無法精修處理的需要送至點補間進行處理，完成涂裝工藝。

2碳纖維復(fù)合材料涂裝缺陷及處理方法

2.1中涂氣泡

在Polestar1的車身涂裝調(diào)試過程初期，中涂氣泡始終存在。中涂氣泡主要集中在板材邊緣（如，門邊尖角處），部件交界處（如，翼子板與前門板交界處），車身凹面區(qū)域（如，門檻區(qū)域），偶爾也出現(xiàn)在板材的非邊緣部位，通過對多次調(diào)試氣泡的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合碳纖維來料基材的比對分析，采取了以下措施解決了中涂氣泡的問題。

（1）優(yōu)化中涂膜厚，使膜厚適當偏下限;（2）優(yōu)化噴涂軌跡，避免涂料在板材邊緣和部件交界處等地聚集;（3）增加對碳纖維來料的監(jiān)測，對于來件出現(xiàn)的針孔及時進行膩子膠修補并刮平。

2.2漆面開裂

漆面開裂一般源于基材開裂。雖然有來件質(zhì)量檢測和第三方駐廠支持解決碳纖維來件質(zhì)量缺陷問題，但在噴涂完成之后，還會遇到此類問題，結(jié)合碳纖維廠家以及第三方的經(jīng)驗，本文總結(jié)了以下適用于涂裝現(xiàn)場的修補方法。

（1）打開開裂區(qū)域，檢查開裂區(qū)域是否存在氣孔并將氣孔的涂層一并去除;（2）使用壓縮空氣進行吹掃，清潔缺陷區(qū)域;（3）填充雙組分環(huán)氧粘接劑，固化20min;（4）采用雙組分膩子膠對缺陷區(qū)域進行充分填充，使用刮刀進行刮平處理，使用紅外烤燈在60℃烘烤60min;（5）打磨該區(qū)域至光滑無顆粒，如有必要繼續(xù)重復(fù)上一步驟直到該區(qū)域表面平整光滑，無凸起或者凹坑;（6）噴涂雙組分底涂，在60℃烘烤15min，再采用400#砂紙將表面打磨平整;（7）正常噴涂中涂及面漆。

2.3門檻氣泡

門檻氣泡是在總裝完成線之后發(fā)現(xiàn)的，且隨著時間的推移，氣泡有增多變大的趨勢，連續(xù)觀察數(shù)量車之后，發(fā)現(xiàn)氣泡主要集中在門檻區(qū)域。通過對鋼板和碳纖維復(fù)合材料同時涂裝之后的水煮實驗發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致該問題的原因與碳纖基材相關(guān)，之后通過切片SEM分析，發(fā)現(xiàn)氣泡的形成主要是在來料的底涂涂層之間，初步判斷供應(yīng)商的碳纖維基材處理工藝及底涂工藝存在問題。經(jīng)過與供應(yīng)商及研發(fā)部門在供應(yīng)商現(xiàn)場的工藝摸排，最終給出了如下解決方案：（1）將碳纖維來料表面材料的密度由200g/m2提高到300g/m2;（2）優(yōu)化底涂工藝，提高底涂噴涂霧化及流平時間。

碳纖維復(fù)合材料以其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，是汽車新材料的發(fā)展趨勢。但由于目前碳纖維材料成本較高，在量產(chǎn)車型上大規(guī)模的使用，在國內(nèi)涂裝的實際應(yīng)用中還比較少見。通過對生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程的跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在涂裝過程中需要注意打磨工藝，涂料低溫烘烤工藝，尤其是要注意碳纖維來料基材質(zhì)量的檢查，這些都對最終的表面質(zhì)量具有重要影響。

結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料以其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，是汽車新材料的發(fā)展趨勢。但由于目前碳纖維材料成本較高，在量產(chǎn)車型上大規(guī)模的使用，在國內(nèi)涂裝的實際應(yīng)用中還比較少見。通過對生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程的跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料在涂裝過程中需要注意打磨工藝，涂料低溫烘烤工藝，尤其是要注意碳纖維來料基材質(zhì)量的檢查，這些都對最終的表面質(zhì)量具有重要影響。

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