碳纤维复合材料在汽车前地板下纵梁加强板应用初探

在全球节能减排的大趋势下，碳纤维复合材料汽车已成为解决能源和环境问题的一种战略性产品。随着碳纤维制造成本的下降、复合材料制造工艺的成熟，目前国内外汽车及零部件厂商都在积极地进行研究应用。国内已经有很多主机厂对碳纤维复合材料在车身外覆盖件上应用的可行性进行一定研究，但关于其在汽车结构件上的应用研究却鲜有报道。

 

2材料选择及材料性能试验方法

2.1材料

 

为了选择前地板下纵梁加强板材料，并考虑其经过涂装烘干炉，选择低温型碳纤维增强树脂基（热塑）复合材料（以下简称为低温型复合材料）及高温型碳纤维增强树脂基（热固）复合材料（以下简称为高温型复合材料）分别开展试验。测试样条为预浸布迭层，迭层可采用编织（表层）/单向纤维（UD）（中间层）/编织（表层）。碳纤维采用T300级的3k编织纤维和T300级的12k单向纤维。树脂基体均为环氧树脂，纤维体积比为55%。胶黏剂为环氧树脂型结构胶。下纵梁为H1500钢板。

 

2.2试验方法及设备

 

拉伸试验参照ASTMD3039/D3039M-08《聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》，弯曲试验参照GB/T1449—005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，冲击试验参照GB/T1043.1—008《塑料简支梁冲击性能的测定第1部分：非仪器化冲击试验》，抗剪试验参照GB/T7124—008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》，低温脆化试验参照GB/T5470—008《塑料冲击法脆化温度的测定》，热变形温度测定参照GB/T1634.2—2004《塑料负荷变形温度的测定第2部分：塑料、硬塑料和长纤维增强复合材料》。采用Zwick拉伸试验机，摆锤冲击试验机，维卡热变形试验机，低温脆化仪，扫描电子显微镜，热重分析仪，红外光谱分析仪。烘烤条件为220℃，0.5h。

 

3试验结果

3.1拉伸试验

 

试验采用Zwick拉伸试验机。加载速度为2mm/min。拉伸试验结果见表1。拉伸试验结果显示，无论低温型复合材料还是高温型复合材料经过耐温试验后拉伸强度都略有下降，经过220℃烘烤后拉伸强度下降明显。

 

3.2弯曲试验

 

弯曲试验结果显示，无论低温型复合材料还是高温型复合材料经过耐温试验后弯曲性能变化不明显，但经过220℃烘烤后弯曲强度下降明显，见表2。

 

3.3冲击试验

 

冲击试验结果显示，无论低温型复合材料还是高温型复合材料耐高/低温试验影响不大，但经过220℃烘烤后冲击强度下降明显，见表3。

 

3.4热变形温度

 

低温型复合材料和高温型复合材料热变形温度见表4。

 

3.5胶黏剂剪切试验

 

高温型复合材料与金属板粘接后进行剪切试验，试验结果见表5，图1。加载速度为2mm/min。

 

3.6烘烤试验

 

高温型复合材料制成零件经过220℃，30min烘烤处理后，颜色变黄，见图2。

 

3.7落球冲击试验

 

试验条件：室温试验。落球尺寸Ф50±0.03mm，落球高度230mm，球质量为500±5g，高温型复合材料制成样板及样件经过落球冲击后外观没有变化，见图3。

 

3.8NSS盐雾试验

 

采用胶接法将碳纤维增强板粘接到下纵梁上。胶接疲劳性能好，减小应力集中，而且还可以起到使碳纤维复合材料与钢材隔离的作用，降低碳纤维复合材料与钢接触可能产生的电化学腐蚀风险。盐雾试验周期48h后两种材料接触面未见腐蚀现象，见图4。

 

4分析与讨论

 

经过220℃造成环氧制品易变黄的因素有很多。本项目推断主要是由于树脂基体为环氧双酚A结构，其热氧化形成发黄基团。上述力学性能经过烘烤后下降明显也是由于树脂中存在着苯环，产生了热氧降解。为了探究热氧降解对整个复合材料的微观现象，进行了扫描电镜分析，热失重分析以及红外光谱分析，分别见图5、图6、图7。从扫描电镜上看，无论烘烤前后树脂与碳纤维的结合程度没有受到大的影响，从热重分析结果看，烘烤对分解阶段的影响也不大。从红外光谱图可以看出，烘烤后除了930cm-1处环氧基发生了反应，与苯环相关的吸收峰（1563cm-1）也发生了变化，这与之前分析的热氧降解原因相吻合。

 

5结束语

 

碳纤维增强树脂基复合材料用在结构件上将会使其优势得到充分的发挥。但应该解决其与车身的连接问题以及随车身进烘干炉烘烤温度对外观及性能的影响。本项目考察了碳纤维增强热塑/热固树脂基复合材料的力学性能、烘烤后性能以及与金属粘接件的盐雾腐蚀性能，并给出了烘烤条件对性能的影响原因分析。对今后考虑碳纤维在线涂装随车身过烘干炉以及实现与金属车身的粘接提供了一些借鉴思路。国内大多还处于研究阶段，将碳纤维增强树脂基复合材料结构件在量产车型上推广，还需要进行更深入系统的研究，这将是个长期和系统的工程。

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