軌道車輛用碳纖維復(fù)合材料涂裝工藝

許瑾，呂高騰，秦園，宗建平，王艷

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

目前碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在軌道車輛行業(yè)還處于起步階段，但隨著軌道交通車輛輕量化的要求，碳纖維復(fù)合材料以其密度低、強(qiáng)度高、耐蝕、耐磨擦等性能優(yōu)越的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[1]。碳纖維材料不僅可以降低軌道車輛自重，而且可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，整體化程度高，耐疲勞性能好。但是碳纖維材料表面光滑、惰性大、表面能低，無化學(xué)活性官能團(tuán)，呈化學(xué)惰性，與樹脂基體浸潤性差，因此它的涂裝工藝與一般金屬材料不同。本文探討了碳纖維復(fù)合材料的水性涂裝工藝，以推動碳纖維復(fù)合材料在軌道客車行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

1 涂料選型

需根據(jù)車輛運(yùn)行環(huán)境及碳纖維的表面特性來設(shè)計(jì)涂裝工藝。軌道交通車輛運(yùn)行時會遇到砂石沖擊、太陽輻射、冷熱交替、酸雨侵蝕等惡劣的環(huán)境，故本文選用了環(huán)氧基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

底漆是與碳纖維基材直接接觸的第一道涂層。由于碳纖維材料對水敏感，吸水后的強(qiáng)度會明顯降低，因此底漆應(yīng)當(dāng)具有高度致密性，能夠防止水的滲透，附著力優(yōu)異，如環(huán)氧底漆。采用碳纖維專用透明底漆可以起到適當(dāng)封閉底材缺陷，提高整體涂層的豐滿度、隔離性和耐久性的作用。

因?yàn)樘祭w維基材表面多孔隙，涂覆底漆后并不能完全遮住表面孔隙，所以選擇與底漆、中涂漆相容性好且填充性好的膩?zhàn)佑糜谔畛浠谋砻娴目紫丁?/p>

作為涂層體系最后一道涂層，面漆是防止復(fù)合材料老化的保護(hù)層，需要具有良好的抗紫外性、耐酸堿性及耐候性，能夠抵御各種惡劣的氣候條件，一般選用聚氨酯類油漆。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的碳纖維車體涂層體系為：雙組分環(huán)氧底漆 + 不飽和彈性聚酯膩?zhàn)?+ 雙組分聚氨酯中涂漆 + 雙組分聚氨酯面漆。而為了獲得碳纖維可視紋理的涂裝效果，選用了透明膩?zhàn)?聚天門冬氨酸酯膩?zhàn)?和聚氨酯透明清漆。如果碳纖維基材表面致密度高、無缺陷，甚至可以簡化到僅噴涂清漆。

2 涂裝工藝

2.1 表面處理

常用的表面處理工藝有噴砂、打磨、等離子處理、干冰處理等。鋁合金車體進(jìn)行整車噴砂處理(棕剛玉磨料，粒度規(guī)格為F46)。噴砂完成后，用TR200表面粗糙度儀檢測車體表面的平均粗糙度Ra，要求5 μm ≤Ra≤ 12.5 μm。車體噴砂處理的主要目的是保證涂層與車體基材形成良好的附著力。

而碳纖維基材表面處理的主要目的是保證基材表面的清潔，調(diào)整表面的粗糙度，提高碳纖維的表面活性[2]。由于碳纖維本身成型工藝的特點(diǎn)，其表面極易有外觀缺陷。若使用與鋁合金車體一樣的噴砂處理方式，表面易出現(xiàn)明顯的條紋痕跡、溝槽以及坑洼(見圖1)。因此碳纖維材料的表面處理不能采用噴砂，通常先用異丙醇進(jìn)行擦拭，再用P240砂紙進(jìn)行機(jī)械打磨，然后用異丙醇擦拭表面并晾干，最終效果如圖2所示。通過打磨去除前道工序產(chǎn)生的顆粒、針孔、坑洼、條紋等缺陷，并獲得高度毛化的表面，從而增大涂料的接觸面，以產(chǎn)生“咬合效應(yīng)”[3]。在噴涂前，表面必須清潔干凈(要求無污、無塵、無油、無脂)并干燥。

圖1 碳纖維基材的噴砂處理效果 Figure 1 Effectiveness of sand blasting on carbon fiber substrate

圖2 碳纖維基材的打磨處理效果 Figure 2 Effectiveness of polishing on carbon fiber substrate

2.2 施工工藝

2.2.1 透明涂層

對于鋁合金車體，采用P80砂紙?jiān)谛枰瓮磕佔(zhàn)拥牟课贿M(jìn)行手工打磨。因膩?zhàn)訉訛檎麄€涂層體系中較弱的環(huán)節(jié)，一次刮涂過厚容易造成涂層的收縮或開裂，故膩?zhàn)討?yīng)薄層多遍。一輛鋁合金車體一般刮涂膩?zhàn)? ~ 4遍，以最大限度地提高漆膜性能，使車體外觀平整，無明顯缺陷。

碳纖維刮涂透明膩?zhàn)优c鋁合金刮涂膩?zhàn)釉诠に嚿嫌兴煌?。用P240打磨碳纖維基材之后刮涂透明膩?zhàn)樱? h后再打磨，建議打磨后放置4 h。透明膩?zhàn)訉右膊灰诉^厚，否則會增加附著力的風(fēng)險。

透明膩?zhàn)痈稍锖笫褂肞400砂紙進(jìn)行打磨，然后噴涂透明高光清漆，濕碰濕噴涂2遍，中間無需閃干，透明涂層體系的施工工藝見表1，所得涂層如圖3所示。

圖3 透明涂層體系的結(jié)構(gòu) Figure 3 Structure of transparent coating system

表1 復(fù)合涂層體系施工參數(shù) Table 1 Operation conditions of transparent coating system

碳纖維透明涂層體系按上述施工工藝應(yīng)用于中速磁浮項(xiàng)目，如圖4所示。

圖4 透明涂層體系樣車 Figure 4 Prototype vehicle with transparent coating system

2.2.2 復(fù)合涂層

由于透明體系不滿足車體外表面美工方面的要求，因此與常規(guī)鋁型材的涂層體系一樣，由“水性環(huán)氧底漆 + 環(huán)保膩?zhàn)?+ 水性聚氨酯中涂漆 + 水性聚氨酯面漆”組成了碳纖維涂層，如圖5所示。

圖5 復(fù)合涂層體系結(jié)構(gòu) Figure 5 Structure of composite coating system

使用P240砂紙打磨碳纖維基材，然后濕碰濕噴涂2道環(huán)氧底漆。底漆按表2的復(fù)合涂層體系施工參數(shù)干燥后，使用P240砂紙進(jìn)行打磨。根據(jù)打磨后碳纖維的表面狀態(tài)進(jìn)行刮涂膩?zhàn)?，膩?zhàn)痈稍锖笫褂肞400砂紙進(jìn)行打磨，打磨后再刮涂第2遍，注意膩?zhàn)拥墓瓮慷纫淮笥? mm，施工工藝參數(shù)見表2。采用高壓無氣噴涂機(jī)噴涂底漆，泵比40∶1，空氣壓力0.6 MPa。中涂和面漆采用隔膜泵噴涂，空氣壓力為0.6 MPa。

表2 復(fù)合涂層體系施工參數(shù) Table 2 Operation conditions of composite coating system

復(fù)合涂層體系按上述施工工藝應(yīng)用于高溫超導(dǎo)磁浮項(xiàng)目，如圖6所示。

圖6 復(fù)合涂層體系樣車 Figure 6 Prototype vehicle with composite coating system

2.3 涂層性能

車體外表面用配套涂層體系的技術(shù)指標(biāo)參考了Q/CR 546.1–2016《動車組用涂料與涂裝 第1部分：車體外表面用涂料及涂層體系》。

透明涂層體系的性能測試結(jié)果見表3。復(fù)合涂層體系的性能測試結(jié)果顯示：丁酮擦拭試驗(yàn)(往復(fù)擦拭50次)、耐液體介質(zhì)試驗(yàn)(24 h)、耐中性鹽霧試驗(yàn)(1 000 h)、耐人工氣候加速老化試驗(yàn)1 000 h和劃格試驗(yàn)的結(jié)果與透明涂層體系相同，其余測試結(jié)果列于表4?？梢娡该魍繉芋w系和復(fù)合涂層體系的各項(xiàng)性能都滿足產(chǎn)品要求。然而，彎曲性能和杯突試驗(yàn)只能采用馬口鐵板進(jìn)行測試，對碳纖維基材沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，僅以Q/CR 546.1–2016作為參考，后續(xù)應(yīng)對碳纖維涂裝制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 透明涂層體系性能測試結(jié)果 Table 3 Property test results of transparent coating system

表4 復(fù)合涂層體系性能測試結(jié)果 Table 4 Property test results of composite coating system

3 結(jié)語

由于國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料制造廠家水平參差不齊，因此碳纖維基材外觀狀態(tài)多有不佳，噴涂時不得不使用相應(yīng)的材料填充找平以提高面漆外觀質(zhì)量。隨著碳纖維復(fù)合材料及水性涂裝工藝的不斷發(fā)展和完善，碳纖維復(fù)合材料必定會在軌道車輛中得到廣泛應(yīng)用。而為了獲得碳纖維可視針織紋理，水性透明涂裝體系將會得到推廣。但目前部分標(biāo)準(zhǔn)仍有不足，比如彎曲性能測試和杯突試驗(yàn)都只能采用馬口鐵作為樣板，對于碳纖維復(fù)合材料而言，其測試結(jié)果不具有參考價值。后續(xù)工作應(yīng)根據(jù)需要而制定碳纖維涂裝的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，以填補(bǔ)這方面的空白。本文提出的碳纖維復(fù)合材料水性涂裝工藝可以滿足市場需求，為軌道車輛用碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。