碳纖維復(fù)合材料汽車前地板的研制

摘要：闡述了通過對碳纖維復(fù)合材料汽車前地板的研制，以金屬白車身為設(shè)計依據(jù)確定了碳纖維復(fù)合材料前地板的結(jié)構(gòu)。分析確定了材料及成型工藝，研究了預(yù)成型體制作，設(shè)計出了多點(diǎn)注射快速RTM模具，并成功制備了碳纖維增強(qiáng)熱固性環(huán)氧復(fù)合材料前地板。產(chǎn)品經(jīng)過剛度及模態(tài)測試，其結(jié)果滿足汽車整車廠提出的技術(shù)要求，而且減重效果明顯，說明碳纖維復(fù)合材料作為主受力結(jié)構(gòu)件在汽車上的應(yīng)用是可行的。
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；汽車前地板；RTM成型

1概 述

隨著汽車輕量化不斷發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適已成為當(dāng)今材料界和汽車界的研究熱點(diǎn)。研究顯示，車重每減少100kg，每百公里油耗可降低0.3～0.5L，二氧化碳的排放可以減少12g左右。車重減輕，可以提高車輛的加速度和制動效果。傳統(tǒng)汽車鋼鐵材料約占車體總重的3/4，用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)制造的車身和底盤在等剛度、等強(qiáng)度下可以減重40%～60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)的1/3～1/6。因此，CFRP正日益成為汽車輕量化的首選材料，逐漸得到汽車行業(yè)越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

2015年國內(nèi)碳纖維需求總量為1.3萬噸左右，如果保持平穩(wěn)增長態(tài)勢，預(yù)計2020年將達(dá)到2.5萬噸。目前，我國復(fù)合材料在汽車工業(yè)中年用量比例還很小，因此，開發(fā)碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用研究具有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。本文以碳纖維復(fù)合材料汽車前地板的研制為例，對其結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、纖維預(yù)成型體制作、成型工藝及性能測試進(jìn)行了研究。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
2. 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)
目標(biāo)產(chǎn)品以金屬白車身為設(shè)計依據(jù)，原金屬汽車前地板橫截面呈“幾”字形，外形尺寸為1.7m×1.3m，重量為27.7kg，金屬板厚為0.8mm左右，由21個板金沖壓件組裝焊接而成，如圖1所示。



圖 1 汽車白車身

2. 2 性能要求
減重：與金屬鋼制地板相比，減重不低于40%；
彎曲剛度：在1kN載荷下，中心點(diǎn)垂直撓度應(yīng)小于2mm；
扭轉(zhuǎn)剛度：≥104N·m2/rad；
一階模態(tài)：≥20Hz。

2. 3 碳纖維復(fù)合材料地板設(shè)計過程

由于原金屬汽車前地板零部件比較多，在復(fù)合材料成型中采用一體成型比較困難，為了充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料性能及適應(yīng)復(fù)合材料成型工藝特點(diǎn)，需要將原鋼制地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的設(shè)計修改，修改內(nèi)容主要有如下幾個方面：

(1)取消加強(qiáng)筋板及多余的復(fù)雜筋條:充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量高和可設(shè)計性強(qiáng)等的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)等剛度設(shè)計原則，在前地板不同受力部位設(shè)計不同厚度CFRP，盡量取消加強(qiáng)筋板及多余的復(fù)雜筋條；
(2)取消工藝漏液孔：碳纖維復(fù)合材料前地板不同于鋼制地板，產(chǎn)品焊接組裝完成后無需在涂裝車間進(jìn)行電泳工序，所以可以取消各工藝漏液孔；
(3)在碳纖維零部件設(shè)計時，對于影響鋪設(shè)成型的小圓角要盡量避免，原則上內(nèi)角R≥3mm，以利于在模具上鋪設(shè)成型，個別特殊部位可以將內(nèi)角設(shè)計成R≥2mm，但會降低量產(chǎn)效率，應(yīng)盡量避免；
(4)在碳纖維零部件壁厚不同的部位，應(yīng)逐漸過渡，以免在成型固化過程中，因固化收縮不同而產(chǎn)生較大變形。
根據(jù)以上設(shè)計原則，重新修改設(shè)計后的前地板數(shù)模如圖2所示。根據(jù)預(yù)先的有限元模擬，為了能夠達(dá)到與原金屬汽車前地板相同的剛度值，復(fù)合材料汽車前地板主板厚度為2.5mm，中央通道部分厚度為3.0mm。



圖 2 碳纖維復(fù)合材料前地板數(shù)模

3成型工藝及試制

3. 1 原材料
對于汽車前地板這種主受力結(jié)構(gòu)件，一般需要首選快速成型的碳纖維復(fù)合材料。本項(xiàng)目設(shè)計選用性能較好的日本東麗碳纖維T700CS-12K織物，面密度分別為480g/m2和200g/m2；單軸向布為200g/m2。樹脂體系選用快速固化的環(huán)氧樹脂體系EpoTech167A/167B(廣州博匯)。

3. 2 成型工藝
復(fù)合材料成本已成為制約復(fù)合材料規(guī)?；瘧?yīng)用的瓶頸，以快速RTM成型技術(shù)為代表的低成本復(fù)合材料技術(shù)已成為目前復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。RTM工藝具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，可以一次性快速成型大型、復(fù)雜(包括帶夾芯或插件)的構(gòu)件；無需膠衣涂層即可為構(gòu)件提供光滑表面，后處理工作量??；預(yù)成型體尺寸易控，可設(shè)計性強(qiáng)；生產(chǎn)周期適中，可實(shí)現(xiàn)半自動或自動化生產(chǎn)，效率高；纖維含量較高；能夠應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計進(jìn)行模具和產(chǎn)品設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)充模過程的模擬；無需二次粘接。鑒于以上技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目選用了快速RTM成型工藝試制地板。

3. 3 纖維預(yù)成型體制作
纖維預(yù)成型技術(shù)是RTM工藝的一個重要環(huán)節(jié)。對質(zhì)量要求高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動化程度要求高的制品來說，這項(xiàng)技術(shù)顯得尤為重要。其原理是采用增粘劑/定型劑或編織/縫紉等技術(shù)將增強(qiáng)材料固結(jié)成與制品相同形狀的半成品。纖維預(yù)成型技術(shù)在保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)工藝快速及自動化方面具有重要意義，是實(shí)施RTM低成本化的重要途徑及手段。

根據(jù)汽車前地板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其設(shè)計為由5個單獨(dú)的預(yù)成型件縫合組裝成一個整體。該預(yù)成型件采用了美國Airtech公司研制生產(chǎn)的Airtac 2增粘劑，通過研究確定最佳工藝參數(shù)為：增粘劑噴涂量為3%～5%、定型加熱溫度為90～100℃、定型時間為20～25min。

3. 4 基于多點(diǎn)注射的快速RTM模具設(shè)計技術(shù)
根據(jù)碳纖維復(fù)合材料前地板的結(jié)構(gòu)特征以及RTM模具與合模液壓機(jī)配合使用考慮，模具的結(jié)構(gòu)類型可以采用多點(diǎn)澆口的三板式注射模具。對于該汽車前地板制件而言，產(chǎn)品需要裝車驗(yàn)證，尺寸精度要求較；因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大，所以注膠過程中的壓力也較高；生產(chǎn)效率較高，要求快速成型，所以材料的導(dǎo)熱性能要好。另外，該模具需采用現(xiàn)有的100t合模液壓機(jī)作為啟模、閉模的機(jī)構(gòu)，模具重量不易過大。經(jīng)初步設(shè)計分析，如果采用鋼模，模具重量達(dá)12t左右，而采用鋁模，其重量僅5t左右。綜合以上考慮，該汽車地板RTM模具采用了高強(qiáng)度鋁合金材料。
考慮到鋁合金比鋼材的硬度小，在設(shè)計鋁合金模具時還應(yīng)在一些細(xì)節(jié)上進(jìn)行如下考慮：①如果在鋁合金模具上加工螺紋孔，為了防止螺牙被螺栓磨損，需要安裝鋼絲螺套；②模具上設(shè)置的頂出點(diǎn)需要安裝鋼墊塊；③導(dǎo)柱采用軸承套導(dǎo)柱，減少導(dǎo)柱的摩擦力。圖3為該模具總體設(shè)計結(jié)構(gòu)。



圖3總體結(jié)構(gòu)爆炸圖

3. 5 碳纖維增強(qiáng)熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料前地板試制
主要工藝參數(shù): 膠液溫度為50℃，模具溫度為55℃，注膠流量為10～20mL/s，固化溫度為90℃，保溫時間為20min，為了預(yù)防在注膠過程中發(fā)生爆模，注膠壓力不得超過1MPa。產(chǎn)品從注膠到脫模，成型周期在30min以下，基本達(dá)到了RTM快速成型的要求。

4試驗(yàn)結(jié)果
4. 1 重 量
產(chǎn)品重量為16.0kg，與鋼制地板相比減重42%，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4. 2 靜態(tài)彎曲剛度測試
將樣件安裝及固定在彎曲剛度測試臺上，調(diào)平。樣件的固定位置如圖4所示。



圖4 樣件彎曲剛度測試夾持位置圖

在樣件中心位置分別按照50.10kg、(50.10kg+30.45kg)、(50.10kg+30.45kg+20.30kg)三個加載塊順序加載，并記錄各測點(diǎn)的變形量。彎曲剛度測試數(shù)據(jù)見表1。

表1彎曲剛度測試數(shù)據(jù)表



注:加載點(diǎn)和測量點(diǎn)均在樣件中心位置。
根據(jù)圖5所示地板彎曲剛度加載-變形圖可知：碳纖維復(fù)合材料地板中心在1kN載荷下，中心點(diǎn)垂直撓度為0.76mm，滿足設(shè)計指標(biāo)小于2mm的要求。



圖5地板彎曲剛度加載-變形圖

4. 3 扭轉(zhuǎn)剛度測試
將樣件安裝固定在扭轉(zhuǎn)剛度測試臺上，調(diào)平。在樣件扭轉(zhuǎn)夾持桿上對應(yīng)安裝布置千分表，并測量記錄各對應(yīng)點(diǎn)千分表距中心軸的距離。扭轉(zhuǎn)加載按表2加載重量依次加載測試。
表2扭轉(zhuǎn)剛度測試數(shù)據(jù)表



由圖6所示地板加載-扭轉(zhuǎn)剛度圖可知：碳纖維復(fù)合材料地板扭轉(zhuǎn)剛度大于3.5×104Nm2/rad，滿足設(shè)計指標(biāo)大于104Nm2/rad的要求。



圖6地板加載-扭轉(zhuǎn)剛度圖

4. 4 模態(tài)測試
將產(chǎn)品安裝在振動試驗(yàn)臺上，測試設(shè)備型號為V8-440(英國LDS)。設(shè)定振動加速度為0.3g(1g=9.8m/s2)；掃頻范圍為10～500Hz；掃頻速度為10ct/min。振動掃頻測試結(jié)果見表3。

表3地板振動掃頻測試結(jié)果



由表3可知，該碳纖維復(fù)合材料地板的階模態(tài)頻率均大于24.9Hz，滿足設(shè)計指標(biāo)大于20Hz的要求。

5結(jié) 語
通過對白車身汽車地板的結(jié)構(gòu)設(shè)計確定碳纖維復(fù)合材料作為汽車前地板材料，選擇RTM為成型工藝，采用多點(diǎn)注射的快速RTM模具，成功制備了碳纖維增強(qiáng)熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料前地板。通過靜態(tài)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)試驗(yàn)測試，結(jié)果滿足汽車整車廠提出的技術(shù)要求，在保證與金屬前地板互換性的基礎(chǔ)上，重量減輕效果明顯，證明復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域使用的可行性，為未來汽車輕減化技術(shù)提供了一條可行的途徑。

文章來源：期刊——玻璃鋼/復(fù)合材料
作者：陳 剛，涂麗艷，陳明達(dá)，劉東