電泳/高溫涂裝對車用復合材料性能影響研究

肖云健，劉家鑫，李發長，丁存光，于勇智

(北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 100094)

0 引言

隨著全球汽車產銷量的增長，汽車已然成為人們出行的重要交通工具[1]。汽車的發展與進步，不斷推進社會文明的發展進程，但同時也伴隨著兩大問題——能源問題與環境問題。在2018年，我國汽車整體產銷首次下滑，整體銷量下降5.8%，但新能源汽車的產銷形勢持續增長，同比增長61.7%，汽車行業產業結構正在逐漸調整，未來或將迎來高質量發展[2]。傳統燃油汽車和新能源汽車各自將面臨挑戰：傳統燃油汽車面臨百公里燃油耗，即至2020年，乘用車新車平均油耗5.0 L/100 km，至2025年，乘用新車平均油耗4.0 L/100 km[3]，車身輕量化與百公里油耗息息相關；新能源汽車采用電池作為動力來驅動汽車運行，受電池能量密度制約，車身輕量化程度將直接決定其續航里程[4]。因此，汽車輕量化是未來汽車業界的重要發展趨勢，不僅僅解決汽車節能減排兩大問題，而且汽車輕量化又有利于汽車的操控性能與安全性[5]。

碳纖維復合材料因質輕高強、可設計性好和零部件一體化等優異的綜合性能[6]，相比鋼鐵、鋁合金等材料[7]，在汽車輕量化領域中潛力巨大，應用前景最廣。鑒于車身復雜性能的要求，在短期內，包含碳纖維復合材料在內的輕質材料不可能完全取代傳統車身材料。德國學者HAHN等提出多材料輕量化結構，即異質材料車身結構，在合適的部位用合適的材料[8]。寶馬7系車身上大量使用碳纖維復合材料等[9]，如側邊梁、B柱加強板等結構件。在實際生產過程中，側邊梁、B柱加強板等碳纖維復合材料結構件需要遵循傳統汽車生產的涂裝工藝(圖1)，與其他車身骨架一同進行電泳涂裝工藝，滿足生產節拍，從而保證量產效率。因此，需要研究電泳/高溫涂裝工藝對碳纖維復合材料的影響，系統評估兩者之間的相關影響程度。

圖1 某主機廠電泳涂裝車間

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗采用立邦powernics 150黑色電泳漆,為本田系專用產品，是無鉛陽離子電泳涂料，具有良好涂抹外觀、涂膜性能、涂裝作業性和涂料穩定性。該涂料工作溫度為(30±1) ℃，施加電壓為180 V，電泳時間為180 s，干燥條件為170 ℃、20 min。

試驗采用中安信ZA50XC-12K碳纖維，織物形式為經編單軸向，克重為400 g/m2，采用樹脂4350A/B，濕法模壓工藝成型，層合板和試驗件均采用[-45 °/+45 °/0 °/+45 °/-45 °]，力學測試參照ASTM標準，層合板DMA參照ASTM標準，樣件外觀采用紅外激光掃描儀測試外觀尺寸變化和變形程度。

1.2 電泳/高溫涂裝試驗工序

試樣電泳涂裝過程分為兩大步驟，第一步為試樣(碳纖維層合板和聚氨酯結構膠單搭接試樣)前處理工序，即堿性脫脂、沖洗、表調處理、磷化處理，將碳纖維復合材料試樣進行電泳前處理工序：脫脂處理、表調處理、水洗、干燥。

第二步為試樣的電泳涂裝工序，設定電泳槽液溫度為30 ℃，電壓180 V，先將試樣浸入電泳槽液中，3 min后，將試樣取出；然后用清水沖洗試樣表面槽液，并懸掛于空氣中，將試樣表面上的水晾干；最后將試樣放入烘箱中，恒定溫度170 ℃，25 min后取出試樣，自然降至室溫，即整個電泳涂裝工藝完成。

第三部分采用高溫烘烤，模擬鈑金的底漆、中涂、色漆的噴涂過程(180 ℃/20 min、160 ℃/20 min、150 ℃/20 min)，觀測層合板力學性能和產品外觀尺寸變化。

1.3 電泳槽液成分變化

本試驗通過表征電泳槽液的成分變化，驗證復合材料對電泳槽液是否有影響。采用放大影響因素的方式進行試驗，即以寶馬7系車型為例：B柱加強板、頂蓋橫梁、側邊梁均采用碳纖維制品，其表面積與車身電泳槽液體積比i1≤0.026 8，試驗用于電泳的槽液池為1 000 mL的燒杯，試樣表面積與電泳槽液體積比i2>0.468 8，因為i2>i1，即以實驗的手段放大復合材料對電泳池液的影響，從而研究復合材料對電泳槽液成分是否有影響，電泳槽液能否繼續使用。

本試驗模擬車身實際電泳工藝，車身在電泳池中停留3 min，即試樣浸入電泳池內3 min，時間較短，無法評估連續生產過程中碳纖維復合材料對電泳槽液是否有影響及影響程度。因此，本試驗采用兩種方式進行驗證，一組采用碳纖維復合材料同車身工藝進行電泳試驗，電泳完成后進行槽液指標定性測量與金屬板電泳漆膜性能測量，另一組延長試驗時間，將試樣浸入電泳槽液7天，7天后進行槽液指標定性測量與金屬板電泳漆膜性能測量。本試驗主要檢測電泳池槽液指標為：電泳漆固體分、灰分、pH值，電導率參數以及漆膜附著力、硬度，并與原始槽液性能進行比較，分析槽液的成分是否發生變化，評估槽液是否可以繼續使用。

1.4 電泳/高溫涂裝對復合材料性能的影響

本試驗主要檢測的指標包括：碳纖維/環氧復合材料的拉伸強度與模量、壓縮強度與模量、剪切強度與模量以及玻璃化轉變溫度Tg；碳纖維典型產品電泳/高溫涂裝前后的變形程度。通過研究電泳前后復合材料的性能變化與產品變形程度，評估電泳涂裝環境對復合材料的性能影響。

2 結果及分析

本文通過將碳纖維復合材料層合板試樣與碳纖維復合材料典型產品進行電泳涂裝的試驗，研究復合材料與電泳槽液之間的相互影響，即復合材料對電泳槽液影響的研究與電泳涂裝對復合材料性能影響的研究，進一步論證碳纖維復合材料在汽車輕量化領域的可應用性。

2.1 復合材料對電泳槽液的影響

將原始槽液、電泳試樣后的槽液和浸泡過7天試樣的槽液，放置在一排，靜置1 h后觀測，經觀測，三者沒有明顯顏色差異，無明顯沉淀產生。通過測試槽液固體分含量、灰分、pH、電導率和MEQ值五種指標，表征三種槽液成分變化，測試結果見表1。五種指標的高低直接影響電泳漆層的質量與性能，如槽液固體分含量過低，電解析氣增加，產生大量氣泡，鈑金表面漆層變薄，容易出現針孔；槽液固體分含量過高，則鈑金表面漆層粗糙，影響漆層質量。

表1 槽液四種指標變化

經分析，電泳試樣槽液固體分含量和灰分值略微降低，由于碳纖維可以導電，而樹脂不導電，因此，經過電泳，碳纖維復合材料的表面會沉積一層不均勻的電泳漆。電泳后碳纖維復材試片表面沉積一層不均勻的電泳漆，會對電泳槽液固體分和灰分造成略微影響。電泳試樣槽液和浸泡試樣槽液的pH值、MEQ值以及電導率指標均在正常范圍內，表明槽液可以繼續使用。

金屬試片的表面漆膜性能見表2。經分析，漆膜表面硬度、附著力與原始槽液電泳后金屬試片的漆膜沒有差異性變化，漆膜表面粗糙度略微提高，但在可接受范圍內，表明同步電泳碳纖維復合材料不影響金屬試片表面電泳漆性能。

表2 金屬試片漆膜性能變化

2.2 電泳涂裝對復合材料性能影響

將碳纖維復材層合板試片進行電泳涂裝處理，通過測試其性能指標變化，表征電泳涂裝環境對復合材料性能影響，進而為產品設計CAE分析提供更真實可靠的數據。

碳纖維復材層合板鋪層方式[-45 °/+45 °/0 °/+45 °/-45 °]，試片電泳涂裝前后性能數據對比見表3，碳纖維層合板電泳前玻璃化轉變溫度Tg為108 ℃，固化度為97.25%，電泳涂裝環境處理后層合板的玻璃化轉變溫度Tg為127 ℃(因為碳纖維復材試片表面有電泳漆，在DSC測試過程中會放出熱量，致使固化度結果不精確)。這種現象的可能原因是：在電泳涂裝過程中，如果忽略殘余低分子量物質的揮發和脫濕的影響，層合板則發生后固化和物理老化使Tg升高。正則化按單層厚度0.424 mm進行計算，電泳涂裝前后層合板纖維力學性能波動在±15%以內，波動變化較小，在可接受范圍內。

將按照碳纖維復合材料鋪層方式[-45 °/+45 °/0 °/+45 °/-45 °]進行鋪覆，采用濕法模壓工藝成型，因為電泳涂裝過程中，碳纖維表面覆蓋一層不均勻電泳漆，影響紅外表面尺寸測試。因此將樣件按照各個階段固化制度進行加熱烘烤，觀測烘烤后前后尺寸變化(圖4)。經分析三位坐標，有局部坐標發生偏差，偏差精度超過±0.5，對裝配有一定程度影響(表4)。

表3 電泳涂裝前后碳纖維層合板性能數據(ASTM標準)

圖2 烘烤前后樣件尺寸變化

表4 樣件局部坐標偏差

續表

3 結論

在碳纖維復合材料電泳涂裝過程中，電泳槽液無明顯顏色變化，無明顯沉淀產生，電泳試樣槽液和浸泡試樣槽液的pH值、MEQ值以及電導率指標均在正常范圍內，表明槽液可以繼續使用。但需要注意，碳纖維導電，碳纖維層合板表面會沉積一層不均勻電泳漆，槽液中固體分含量和灰分值稍微降低。同步電泳或電泳復合材料后的槽液不影響金屬鈑金漆膜硬度、附著力，粗糙度略有降低，但在可接受范圍內。

在碳纖維復合材料電泳涂裝過程中，層合板玻璃化轉變溫度Tg會升高，主要是由于層合板后固化和物理老化導致，層合板力學性能部分會降低，降低范圍在15%以內。

在車用碳纖維復材結構件設計CAE分析過程中，建議使用碳纖維復合材料電泳后的數據作為設計輸出，重點考慮固化度，碳纖維復材高溫過固化會產生低分子分解物質，可能導致樹脂粉化影響性能。此外，還會存在產品局部變形的可能性，在設計時需要考慮，以免影響后期裝配。