碳纖維復合材料表面涂裝工藝研究

楊利軍 林社超

摘要：碳纖維復合材料（CFRP）由作為增強材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成，早期碳纖維材料主要應用于軍事領域，隨著制造工藝技術及設備的不斷發展，CFRP在一般工業領域的應用也越來越廣泛。相比傳統材料，CFRP具有比強度高、比模量高、質量輕、抗疲勞性能好及減振性能優良等諸多優點。復合材料匯聚了2種材料的優勢，各組分在性能上起協同作用，具有單一材料無法比擬的優越綜合性能。在汽車行業，CFRP應用于汽車外飾件、汽車結構件等的設計與制造。

關鍵詞：碳纖維材料;涂裝工藝;基材質量

1碳纖維復合材料的涂裝工藝流程

1.1碳纖維基材表面預處理

碳纖維基材在來料時，往往帶有以下缺陷：表面不平，樹脂富集，樹脂缺失，白點，針孔，顆粒等。對后續的噴涂質量影響較大，需要對其進行表面處理。表面處理的具體工藝為：采用砂紙對表面進行打磨，主要目的是去除表面殘留的脫模劑，對表面進行粗化以增強涂料的附著力，更大限度地暴露覆蓋在樹脂表面的針孔。在打磨完成之后，對于基材缺損處使用樹脂進行修補，之后進行烘烤，打磨修復直至表面平整。隨后整車噴涂底漆，待固化之后檢查表面質量狀態，如還存有類似顆粒、針孔、表面不平等影響后續外觀質量的缺陷，則對缺陷處進行打磨處理，重復噴涂作業直至外觀質量符合要求。對于Polestar1車型來講，以上工作是在碳纖維供應商處完成，達到來件質量標準之后送至極星汽車廠，到廠后檢查出的來件質量問題以駐廠供應商返修為主。

1.2基材打磨

待白車身運轉到涂裝車間之后，首先進行整車打磨，主要的工藝步驟包括擦拭，檢查，打磨，除塵。打磨工藝的目的是去除來件表面的顆粒、劃痕、毛刺等，同時增加底漆與中涂之間的附著力。

第1步為擦拭，采用異丙醇與純水（體積比1∶1）的混合液，用擦拭布對車身內外表面進行整體擦拭，除去車身表面的油污，擦拭的要點為由內至外、由上至下、由前至后，擦拭動作方向一致，避免來回擦拭，以防止油污殘留。

第2步為檢查，擦拭完成后，佩戴手套，對車身整體質量進行檢查，檢查的步驟方法與擦拭一致，尤其要注意尖角處，部件交界處的涂裝缺陷。

第3步為打磨，步驟方法與擦拭一致，對于平面的打磨采用打磨機完成，凹凸面及部件邊緣的打磨采用手工打磨完成，打磨過程中采用畫圓的打磨手法。打磨時應謹慎對待造型線附近區域的打磨，不要破壞現有的車身造型線，如，腰線、引擎蓋造型線等。

第4步為除塵，在打磨完成之后，要對遺留的打磨灰進行最大限度的清理，以增加底漆與中涂之間的附著力。除了采用帶有真空集灰設備的Festool打磨機及時處理打磨過程中產生的打磨灰，在打磨完成后，需要增加吹灰、真空吸塵器吸灰及濕抹布擦拭除灰工藝;尤其是在內腔殘留的打磨灰如未能得到有效的清理，在后續噴涂過程中，很容易形成質量缺陷。

1.3中涂

中涂工藝與傳統噴漆工藝一致，在對噴漆表面進行擦拭除塵之后進行噴漆作業。由于Polestar1上車身為碳纖維復合材料，烘烤溫度過高有破壞零件強度的風險，如，出現分層、零件變形等缺陷，長時間烘烤溫度建議為80℃，短時間烘烤可采用100℃。為了配合碳纖維復合材料對低溫烘烤的需求，Polestar1車型上使用的中涂為BASF提供的低溫烘烤水性雙組分涂料，中涂膜厚下限為30μm且不能出現流掛，中涂涂裝完成后，流平10min，送至中涂烘爐中在80℃烘烤60min，完成中涂工藝。

1.4中涂打磨

中涂后，車身再次轉運至打磨間進行整車身打磨，打磨流程與基材打磨一致。此次打磨采用更為細膩的打磨紙，現場使用的是800#打磨紙。主要目的是處理中涂涂層的缺陷，增加中涂與色漆層之間的附著力。在中涂打磨過程中，要注意檢查是否有針孔，發現針孔需要用單組分修補漆進行修復。另外，為了減少打磨灰對面漆噴涂（亞光清漆）的影響，在完成中涂打磨之后，采用塑料薄膜對車身底盤，門內板進行遮蔽。總之，要盡可能去除打磨灰，避免打磨灰對面漆噴涂造成缺陷。

1.5面漆

面漆工藝包括色漆和罩光清漆。車身在潔凈間完成包括靜電除塵、溶劑擦拭、粘塵等一系列準備工作之后，首先進行色漆層的涂裝，Polestar1車身采用的色漆為水性色漆，除珠光白顏色的白底為雙組分涂料外，其余顏色均為單組分涂料。色漆噴涂完成后送至閃干爐進行閃干，工藝條件為70℃、6min。待車身冷卻降溫后，涂裝罩光清漆，Polestar1車身采用的清漆為溶劑型雙組分低溫清漆，共有高光清漆和亞光清漆2種類型，烘干條件為80℃、60min。高光清漆的噴涂與傳統噴涂一致，對亞光清漆的噴涂而言，有很多注意事項。

1.6拋光精修

完成面漆工藝之后，在拋光時對表面質量先進行全面檢查，對于類似清漆顆粒、流掛、橘皮、失光等可以進行打磨拋光處理，消除漆膜表面的細小缺陷，增加漆膜的光澤與平滑度，其他無法精修處理的需要送至點補間進行處理，完成涂裝工藝。

2碳纖維復合材料涂裝缺陷及處理方法

2.1中涂氣泡

在Polestar1的車身涂裝調試過程初期，中涂氣泡始終存在。中涂氣泡主要集中在板材邊緣（如，門邊尖角處），部件交界處（如，翼子板與前門板交界處），車身凹面區域（如，門檻區域），偶爾也出現在板材的非邊緣部位，通過對多次調試氣泡的數據分析，結合碳纖維來料基材的比對分析，采取了以下措施解決了中涂氣泡的問題。

（1）優化中涂膜厚，使膜厚適當偏下限;（2）優化噴涂軌跡，避免涂料在板材邊緣和部件交界處等地聚集;（3）增加對碳纖維來料的監測，對于來件出現的針孔及時進行膩子膠修補并刮平。

2.2漆面開裂

漆面開裂一般源于基材開裂。雖然有來件質量檢測和第三方駐廠支持解決碳纖維來件質量缺陷問題，但在噴涂完成之后，還會遇到此類問題，結合碳纖維廠家以及第三方的經驗，本文總結了以下適用于涂裝現場的修補方法。

（1）打開開裂區域，檢查開裂區域是否存在氣孔并將氣孔的涂層一并去除;（2）使用壓縮空氣進行吹掃，清潔缺陷區域;（3）填充雙組分環氧粘接劑，固化20min;（4）采用雙組分膩子膠對缺陷區域進行充分填充，使用刮刀進行刮平處理，使用紅外烤燈在60℃烘烤60min;（5）打磨該區域至光滑無顆粒，如有必要繼續重復上一步驟直到該區域表面平整光滑，無凸起或者凹坑;（6）噴涂雙組分底涂，在60℃烘烤15min，再采用400#砂紙將表面打磨平整;（7）正常噴涂中涂及面漆。

2.3門檻氣泡

門檻氣泡是在總裝完成線之后發現的，且隨著時間的推移，氣泡有增多變大的趨勢，連續觀察數量車之后，發現氣泡主要集中在門檻區域。通過對鋼板和碳纖維復合材料同時涂裝之后的水煮實驗發現，導致該問題的原因與碳纖基材相關，之后通過切片SEM分析，發現氣泡的形成主要是在來料的底涂涂層之間，初步判斷供應商的碳纖維基材處理工藝及底涂工藝存在問題。經過與供應商及研發部門在供應商現場的工藝摸排，最終給出了如下解決方案：（1）將碳纖維來料表面材料的密度由200g/m2提高到300g/m2;（2）優化底涂工藝，提高底涂噴涂霧化及流平時間。

碳纖維復合材料以其獨特的優勢被廣泛應用于汽車工業，是汽車新材料的發展趨勢。但由于目前碳纖維材料成本較高，在量產車型上大規模的使用，在國內涂裝的實際應用中還比較少見。通過對生產工藝及生產過程的跟蹤分析，發現碳纖維復合材料在涂裝過程中需要注意打磨工藝，涂料低溫烘烤工藝，尤其是要注意碳纖維來料基材質量的檢查，這些都對最終的表面質量具有重要影響。

結語

碳纖維復合材料以其獨特的優勢被廣泛應用于汽車工業，是汽車新材料的發展趨勢。但由于目前碳纖維材料成本較高，在量產車型上大規模的使用，在國內涂裝的實際應用中還比較少見。通過對生產工藝及生產過程的跟蹤分析，發現碳纖維復合材料在涂裝過程中需要注意打磨工藝，涂料低溫烘烤工藝，尤其是要注意碳纖維來料基材質量的檢查，這些都對最終的表面質量具有重要影響。

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