在全球節(jié)能減排的大趨勢(shì)下，碳纖維復(fù)合材料汽車已成為解決能源和環(huán)境問(wèn)題的一種戰(zhàn)略性產(chǎn)品。隨著碳纖維制造成本的下降、復(fù)合材料制造工藝的成熟，目前國(guó)內(nèi)外汽車及零部件廠商都在積極地進(jìn)行研究應(yīng)用。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多主機(jī)廠對(duì)碳纖維復(fù)合材料在車身外覆蓋件上應(yīng)用的可行性進(jìn)行一定研究，但關(guān)于其在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究卻鮮有報(bào)道。

 

2材料選擇及材料性能試驗(yàn)方法

2.1材料

 

為了選擇前地板下縱梁加強(qiáng)板材料，并考慮其經(jīng)過(guò)涂裝烘干爐，選擇低溫型碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基（熱塑）復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱為低溫型復(fù)合材料）及高溫型碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基（熱固）復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱為高溫型復(fù)合材料）分別開(kāi)展試驗(yàn)。測(cè)試樣條為預(yù)浸布迭層，迭層可采用編織（表層）/單向纖維（UD）（中間層）/編織（表層）。碳纖維采用T300級(jí)的3k編織纖維和T300級(jí)的12k單向纖維。樹(shù)脂基體均為環(huán)氧樹(shù)脂，纖維體積比為55%。膠黏劑為環(huán)氧樹(shù)脂型結(jié)構(gòu)膠。下縱梁為H1500鋼板。

 

2.2試驗(yàn)方法及設(shè)備

 

拉伸試驗(yàn)參照ASTMD3039/D3039M-08《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》，彎曲試驗(yàn)參照GB/T1449—005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，沖擊試驗(yàn)參照GB/T1043.1—008《塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》，抗剪試驗(yàn)參照GB/T7124—008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》，低溫脆化試驗(yàn)參照GB/T5470—008《塑料沖擊法脆化溫度的測(cè)定》，熱變形溫度測(cè)定參照GB/T1634.2—2004《塑料負(fù)荷變形溫度的測(cè)定第2部分：塑料、硬塑料和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料》。采用Zwick拉伸試驗(yàn)機(jī)，擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，維卡熱變形試驗(yàn)機(jī)，低溫脆化儀，掃描電子顯微鏡，熱重分析儀，紅外光譜分析儀。烘烤條件為220℃，0.5h。

 

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1拉伸試驗(yàn)

 

試驗(yàn)采用Zwick拉伸試驗(yàn)機(jī)。加載速度為2mm/min。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論低溫型復(fù)合材料還是高溫型復(fù)合材料經(jīng)過(guò)耐溫試驗(yàn)后拉伸強(qiáng)度都略有下降，經(jīng)過(guò)220℃烘烤后拉伸強(qiáng)度下降明顯。

 

3.2彎曲試驗(yàn)

 

彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論低溫型復(fù)合材料還是高溫型復(fù)合材料經(jīng)過(guò)耐溫試驗(yàn)后彎曲性能變化不明顯，但經(jīng)過(guò)220℃烘烤后彎曲強(qiáng)度下降明顯，見(jiàn)表2。

 

3.3沖擊試驗(yàn)

 

沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論低溫型復(fù)合材料還是高溫型復(fù)合材料耐高/低溫試驗(yàn)影響不大，但經(jīng)過(guò)220℃烘烤后沖擊強(qiáng)度下降明顯，見(jiàn)表3。

 

3.4熱變形溫度

 

低溫型復(fù)合材料和高溫型復(fù)合材料熱變形溫度見(jiàn)表4。

 

3.5膠黏劑剪切試驗(yàn)

 

高溫型復(fù)合材料與金屬板粘接后進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，圖1。加載速度為2mm/min。

 

3.6烘烤試驗(yàn)

 

高溫型復(fù)合材料制成零件經(jīng)過(guò)220℃，30min烘烤處理后，顏色變黃，見(jiàn)圖2。

 

3.7落球沖擊試驗(yàn)

 

試驗(yàn)條件：室溫試驗(yàn)。落球尺寸Ф50±0.03mm，落球高度230mm，球質(zhì)量為500±5g，高溫型復(fù)合材料制成樣板及樣件經(jīng)過(guò)落球沖擊后外觀沒(méi)有變化，見(jiàn)圖3。

 

3.8NSS鹽霧試驗(yàn)

 

采用膠接法將碳纖維增強(qiáng)板粘接到下縱梁上。膠接疲勞性能好，減小應(yīng)力集中，而且還可以起到使碳纖維復(fù)合材料與鋼材隔離的作用，降低碳纖維復(fù)合材料與鋼接觸可能產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。鹽霧試驗(yàn)周期48h后兩種材料接觸面未見(jiàn)腐蝕現(xiàn)象，見(jiàn)圖4。

 

4分析與討論

 

經(jīng)過(guò)220℃造成環(huán)氧制品易變黃的因素有很多。本項(xiàng)目推斷主要是由于樹(shù)脂基體為環(huán)氧雙酚A結(jié)構(gòu)，其熱氧化形成發(fā)黃基團(tuán)。上述力學(xué)性能經(jīng)過(guò)烘烤后下降明顯也是由于樹(shù)脂中存在著苯環(huán)，產(chǎn)生了熱氧降解。為了探究熱氧降解對(duì)整個(gè)復(fù)合材料的微觀現(xiàn)象，進(jìn)行了掃描電鏡分析，熱失重分析以及紅外光譜分析，分別見(jiàn)圖5、圖6、圖7。從掃描電鏡上看，無(wú)論烘烤前后樹(shù)脂與碳纖維的結(jié)合程度沒(méi)有受到大的影響，從熱重分析結(jié)果看，烘烤對(duì)分解階段的影響也不大。從紅外光譜圖可以看出，烘烤后除了930cm-1處環(huán)氧基發(fā)生了反應(yīng)，與苯環(huán)相關(guān)的吸收峰（1563cm-1）也發(fā)生了變化，這與之前分析的熱氧降解原因相吻合。

 

5結(jié)束語(yǔ)

 

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料用在結(jié)構(gòu)件上將會(huì)使其優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)揮。但應(yīng)該解決其與車身的連接問(wèn)題以及隨車身進(jìn)烘干爐烘烤溫度對(duì)外觀及性能的影響。本項(xiàng)目考察了碳纖維增強(qiáng)熱塑/熱固樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能、烘烤后性能以及與金屬粘接件的鹽霧腐蝕性能，并給出了烘烤條件對(duì)性能的影響原因分析。對(duì)今后考慮碳纖維在線涂裝隨車身過(guò)烘干爐以及實(shí)現(xiàn)與金屬車身的粘接提供了一些借鑒思路。國(guó)內(nèi)大多還處于研究階段，將碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在量產(chǎn)車型上推廣，還需要進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究，這將是個(gè)長(zhǎng)期和系統(tǒng)的工程。

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