汽車用膠粘劑的輕量化技術研究

楊文葉 姜子敬 常亞恩 閆雪燕 李文中 李振興 郭秋彥

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

主題詞：膠粘劑 輕量化 膠品性能 涂膠優化 功能集成

1 前言

隨著汽車工業的高速發展，以智能化為趨勢和特征的新能源汽車將占據乘用車市場的主體。輕量化是新能源汽車在電池能量密度無法取得根本性突破的前提下，解決續駛里程焦慮最有效的手段，也是碳中和、碳達峰環保政策高壓下支撐汽車產業可持續高速發展必經之路。發展輕量化技術是國內外汽車企業應對能源環境挑戰的共同選擇，也是提升汽車產品競爭力的必然選擇。汽車各系統更極致、更精益的輕量化設計，將助推汽車新四化“輕快”發展。汽車輕量化技術發展日益呈現出多元化、混合化的趨勢，未來車身必然是由多材料、多工藝構成的最精益設計的混合車身。此外，隨著客戶對乘用車舒適度、安全、NVH、環保性能要求越來越高，異種材料連接技術和對車身用多功能高性能膠粘劑的需求和研究日趨重要和迫切。

汽車用膠粘劑是一種起連接作用的物質，應用于同種或異種材料之間，起連接、固定、減振、吸能或密封的作用。膠粘劑按粘接形式主要分為結構型和非結構型。結構型膠粘劑用于結構單元的固定粘接，多用于金屬與金屬或金屬與非金屬材料的連接，同時起到連接和結構補強的作用。非結構型膠粘劑多用于表面涂敷、密封和功能性粘接，典型的非結構膠粘劑包括焊縫密封膠、抗石擊涂料、阻尼膠。汽車用膠粘劑按照施工車間的不同通常分為焊裝膠、涂裝膠和總裝膠。其中，焊裝膠和總裝膠主要是以環氧、聚氨酯或丙烯酸基為主的結構型膠粘劑，具有高剪切強度、高模量，主要應用于鈑金連接或鈑金與其它材料的連接，可有效提升車身的剛度，保證車身的結構安全。涂裝膠主要以橡膠基或PVC 基為主的非結構型膠粘劑，主要應用于車身鈑金搭載或大平面鈑金區域，其高斷裂伸長率和阻尼性能，旨在保證車身的密封性、抗石擊或吸能減振。

粘接是汽車制造的關鍵工藝技術，膠粘劑單車用量達15 kg以上。在汽車各個系統都追求極致輕量化的設計需求下，汽車膠粘劑的輕量化也是各大整車廠不斷探索攻克的方向。目前車身膠粘劑主要從以下4個方面進行輕量化設計：

（1）降低膠體本身的密度，開發中空玻璃微珠填充的低密度型PVC膠，應用于車身焊縫密封和抗石擊底涂膠，降低汽車膠品用量；

（2）開發可噴涂型性能更優、密度更低的水性阻尼材料，代替傳統瀝青阻尼板，同時優化涂膠區域和尺寸，直接減少膠體用量，在實現輕量化效果的同時提升車內空氣質量；

（3）開發高強結構膠代替焊點，解決輕量化材料混合應用的連接問題，并提高車身整體的剛度，減少鈑金加強結構的設計工作量；

（4）開發功能集成的多合一膠品，例如高阻尼PVC 抗石擊涂料，具有吸能減振和抗石擊的雙重功能，噴涂于車底可同時起到阻尼和抗石擊的效果，避免了同區域重復噴涂多種膠品造成的質量增加。

2 低密度型PVC膠

2.1 低密度型PVC膠簡介

低密度型PVC 膠是在普通型PVC 膠（密度為1.4～1.5 g/cm）中添加一定比例的中空薄壁、粒徑均勻、抗壓性能優異的球形玻璃微珠，共混熟化而成。中空玻璃微珠在高壓輸送和噴涂時易破碎，導致膠體密度增加。因此，中空玻璃微珠的填充量需要控制在合適的范圍內，在保證膠體性能的同時實現輕量化。低密度型PVC 膠的干膜密度目前可做到1.0 g/mL以下，與普通型PVC 膠相比，可以實現降重30%以上。據市場調研，低密度型抗石擊涂料目前主要應用于外資和合資品牌車型，國內主機廠也逐漸引入應用，并且向更低密度方向發展。

低密度型PVC 膠在包裝、存儲、噴涂方面與普通型沒有差異，不涉及涂膠工藝、工程設計和關聯設備的變更。技術開發的難點主要是PVC 膠在生產和施工高壓下會導致玻璃微珠破碎，如果填充的玻璃微珠破碎就失去了減重作用，PVC 膠的密度會大幅上升，因此需要開發滿足噴嘴粒徑和抗壓強度的高性能中空玻璃微珠。低密度PVC膠的驗證除了進行粘度、流掛性、拉伸性常規的性能驗證外，還需要進行關鍵的密度穩定性測試，模擬低密度型PVC 膠生產高速攪拌、管道輸送、高壓噴涂環節的工況，驗證高壓保壓72 h后密度的穩定性，以保證PVC膠的低密度輕量化效果。膠品試板級性能驗證需要將膠體噴涂至電泳板上（圖1），進行剪切強度、鹽霧、柔韌性試驗，保證膠體噴涂到鈑金的力學性能和功能性。低密度PVC 膠的整車搭載最后需要噴涂和烘烤工藝驗證（圖2），以及整車路試確保無開裂、脫落的質量問題。此外，整車廠的應用需要根據低密度PVC 膠的技術特性和整車性能要求，建立企業標準和工藝規范，針對膠體、工藝匹配和整車應用進行充分驗證，以滿足乘用車實際使用的工況要求。

圖1 PVC膠體性能驗證

圖2 膠體應用區域和整車性能驗證

2.2 低密度型PVC膠應用

圖3是某車型采用密度為1.1 g/cm的PVC焊縫密封膠涂膠示意圖，涂膠總長度27 m。表1 中低密度PVC 焊縫密封膠輕量化收益顯示單車用量相比于普通型PVC 膠減少質量2.2 kg，單車減重比例達27.2%。表2 中環保性能收益表明低密度型PVC 膠的溶劑用量降低，單車用量可減少60%VOC的釋放量。表3中低密度型PVC膠的拉伸強度、剪切強度和斷裂伸長率均明顯優于普通型PVC膠。此外，由于玻璃微珠是規則的球形且硬度高，圖4表明低密度PVC膠與普通型PVC膠相比耐磨性能優異，PVC膠的凝膠分析結果顯示（圖5），低密度PVC膠的固化時間縮短，有效地降低了烘烤所需的能耗。

表1 低密度PVC焊縫密封膠輕量化收益

表2 低密度PVC焊縫密封膠環保性能收益

表3 低密度PVC焊縫密封膠力學性能

圖3 某車型低密度焊縫密封膠示意

圖4 PVC膠耐磨性能

圖5 PVC膠固化時間

3 LASD水性阻尼材料

3.1 LASD水性阻尼材料簡介

為了給汽車駕乘人員提供安靜、舒適的環境，減少汽車行駛過程中產生的噪聲和振動，在汽車底板、輪罩、頂蓋、行李艙等部位應用阻尼材料。水性阻尼材料（Liquid Applied Sound Deadener，LASD）和瀝青板基本性能對比見表4。傳統的車用熱熔型阻尼材料是以瀝青為主要基材，并輔以無機填料制成的阻尼板，經過貼合形狀的裁剪布置在車身適合位置，可有效吸收振動和噪聲產生的能量。但經過高溫暴曬，瀝青材料會分解散發含有多環芳烴的氣體，造成車內異味并對人體產生傷害。新型輕量化阻尼材料是1種以丙烯酸樹脂為基本成膜物，以水為分散介質，輔以填料和助劑制備的水性高分子可噴涂環保型減振降噪阻尼材料。與瀝青阻尼材料相比，水性阻尼材料密度大幅降低，單車用量可減重45%以上。此外，LASD水性阻尼材料采用管道運輸機器人噴涂，施工靈活且效率高，環保無異味，阻尼性能優異，在滿足整車性能要求的同時可有效降低單車用量。

表4 LASD水性阻尼材料和瀝青板基本性能對比

LASD 水性阻尼膠由機器人自動噴涂，經高溫烘烤后固化，通過有效的能量轉換把結構噪音轉換成熱能消耗，從而獲得優異的阻尼效果。LASD 水性阻尼材料將機械能轉變成熱能，隨溫度增加由玻璃態轉換為粘流態，阻尼因子越高說明系統損耗能量的能力越強。目前，GM、Ford、Audi、BMW 等歐美主流汽車廠家已普遍使用水性阻尼材料替代瀝青阻尼材料。國內上汽、吉利、奇瑞等車企也率先在汽車涂裝工藝中以水性阻尼材料作為降噪減振材料。

如圖6 所示，水性LASD 材料的固化過程主要是水分揮發的物理過程，不涉及化學反應。伴隨著乳液內部水分的流失，高分子乳液顆粒開始坍縮形變，最終當水分完全揮發時，乳液顆粒破裂，高分子鏈發生形變，并且重新融合。降溫后，重新融合的高分子鏈固化，形成骨架。LASD水性阻尼膠在涂裝車間噴涂，隨白車身進入烘房高溫固化。其材料開發和性能驗證需整車廠制定烘烤溫度和時間，避免烘烤不足或過度造成LASD涂膠表面膨脹、松弛、剝離、龜裂現象。

圖6 LASD水性阻尼材料固化機理

3.2 LASD水性阻尼材料優化設計

LASD 水性阻尼材料主要布置在下車體底板、輪罩、備胎倉鈑金位置，吸收車輛行駛過程中產生的路噪和振動。以某車型設計優化為例，采用的水性阻尼膠密度＜0.9 g/cm，彈性模量＞1 000 MPa，阻尼值＞0.25，車身的布置優化設計流程如圖7。首先，創建網格模型，在圖8 車身模型的4 個輪心位置施加、、這3個方向的載荷激勵。然后，定義聲音輻射的面板為車身底板，對20～500 Hz 聲頻區間內有尖銳聲的位置點進行分析后處理。

圖7 LASD水性阻尼材料布置優化流程

圖8 車身載荷激勵和聲音輻射面板定義

等效輻射功率（Equivalent Radiated Power,ERP）分析結果如圖9所示，結果表明，在62 Hz、90 Hz、131 Hz、183 Hz、233 Hz、278 Hz 頻率點，ERP 存在峰值。從這些頻率點中，選出節點貢獻量大的位置，噴涂LASD水性阻尼材料，ERP 降低明顯，效果較好；噴涂2 mm 厚度的LASD水性阻尼膠比1 mm厚度的效果更優。

圖9 等效輻射功率分析結果

根據圖9初步分析的結果進行LASD水性阻尼材料布置方式的優化設計，在等效輻射功率的問題頻率點按照圖10 方案A 圖示整片布置2 mm 的LASD 水性阻尼膠，ERP降低明顯，LASD膠用量為3.74 kg。在方案A 基礎上優化涂膠區域和涂膠厚度，識別區域1、2和12的涂膠厚度影響較小，可降低為1 mm涂膠，并且區域5 的涂膠貢獻較小，可取消。方案B 涂膠用量為3.04 kg，進一步優化涂膠方式和涂膠厚度，在車身底板問題頻率點區域以條形分離狀涂膠代替整片涂膠的方式，兩道LASD膠條間距在0～20 mm之間，至少覆蓋80%以上的區域，可達到與方案比相近的阻尼效果。分析和驗證結果顯示優化方案C可行，涂膠用量2.04 kg，相比于初始方案減少1.7 kg，比用瀝青阻尼墊減重61.1%。涂膠優化設計是膠品減重最直接和收益最可觀的輕量化技術。

圖10 LASD水性阻尼材料布置方式的優化設計

4 高強結構膠

4.1 高強結構膠介紹

隨著汽車輕量化要求的提高，多材料混合車身逐步成為趨勢，傳統的點焊連接已無法滿足要求。加強高強結構膠的開發，使新材料在車身上得以更廣泛地應用。近年來，車身結構膠由豪華品牌逐步向大眾品牌車型擴展，由最初的寶馬、奔馳品牌逐步擴展至合資、自主品牌。隨著結構膠技術的發展，各品牌車型結構膠應用逐漸成熟，由低于20 m 的用量，逐步增長至大于80 m的用量。隨著車身材料混合應用多樣化，結構膠的應用量和應用車型必將更加豐富。

結構膠主要用于車身鈑金搭接處，能承受較大載荷，且耐老化、耐疲勞、耐腐蝕性能優異，在預期壽命內性能穩定，能夠起到連接及結構增強作用?？紤]車身的性能需求等共6個維度，具體維度見圖11。

圖11 結構膠選擇考量維度

結構膠在車身上的應用通過合理的設計選擇、仿真分析、試驗可顯著提升車身的耐久、安全、剛度、NVH 性能。結構膠的功能多樣化，除了結構增強外，異種材料的連接、避免焊點開裂、工藝不可點焊區域的連接，以及外觀要求不能焊接的區域都可以使用結構膠，解決設計和工藝連接的問題，突破傳統點焊連接的瓶頸。此外，結構膠應用可提升焊接密封性、減少焊點、降低成本。

4.2 高強結構膠性能和應用研究

粘接作為代替點焊進行車身增強和連接的關鍵技術，其力學性能、抗疲勞性能、鋼板連接匹配以及焊接工藝對車身剛度和安全性能的影響至關重要。因此，在結構膠應用之前對其進行選型和性能驗證具有重大意義。

有相關研究表明鋼-鋼連接采用結構膠連接強度優于點焊和其它形式點連接，但吸能比點焊差。因此，車身吸能區域應以點焊為主。承受同等的循環次數，膠焊接頭比點焊接頭承載力提升至少250%，結構膠連接的抗疲勞特性明顯優于點焊連接。因此，合理的設計結構膠連接區域對整車性能的提升至關重要?；膹姸葘δz焊連接性能影響結果表明（圖12）：

圖12 板件強度對膠焊接頭的影響

（1）板件基材強度越高，膠焊接頭強度越高，膠焊接頭的失效速率越快；

（2）強度較高的板件組合，膠層越容易發生內聚力失效；

（3）強度較弱的板件組合，膠層越容易發生界面失效和混合失效。

膠層的內聚力失效是最大發揮結構膠連接性能優勢的理想失效模式，界面失效是需要規避的失效模式。結構膠應用需要根據車身不同區域的強度和失效速率進行合理的板件組合設計。通常車身要求強度高和失效速率快的區域選擇強度較高的板材組合，對于強度要求不高，注重吸能緩沖的區域選擇強度較低的板材組合。此外，膠層焊接窗口的可焊性范圍與點焊相比，在較小的電流下，膠焊更易獲得較大直徑的焊核。在較高的焊接電流下，膠焊更易產生飛濺。因此，形成相同熔核直徑的焊核，膠焊相對于點焊所需電流較小，能耗較低。

某車身結構考慮剛度、模態、疲勞、碰撞以及工藝可行性因素，在鋼鋁混合、結構增強和剛度提升的關鍵區域采用高強結構膠（圖13），總長度達49.15 mm，扭轉剛度提升10%，彎曲剛度提升7.5%，疲勞性能提升195%。分析結果表明，達到同樣的剛度和疲勞性能，采用高強結構膠比采用鈑金增厚減少鈑金質量15 kg。結構膠涂膠長度在同級別車型中處于領先水平。

圖13 某車型結構膠涂膠示意

5 高阻尼PVC抗石擊涂料

在PVC基抗石擊涂料中添加增韌助劑，使涂料在滿足抗石擊的同時能夠吸收低頻率的振動能量，是1種集抗石擊、防腐和減振功能于一體的可噴涂型PVC溶膠，在200 Hz、23 ℃條件下的阻尼因子＞0.1。此種功能集成的抗石擊涂料也是一種車身外噴涂阻尼膠，最早應用于歐洲車型，現國內車型已逐步引用并優化設計。圖14 某車型在輪罩外板由機器人自動噴涂高阻尼抗石擊涂料，噴涂面積2 170 mm，噴涂厚度2 mm；后輪罩噴涂高阻尼抗石擊涂料，在防護車輪飛轉帶起的砂石沖擊的同時，減弱了路噪對后排乘客的直接影響，效果顯著。

圖14 某車型結構膠涂裝膠示意

車身設計通常在輪罩的外板噴涂厚度為2 mm以上的PVC抗石擊涂料，用于防護砂石沖擊造成鈑金電泳層破壞后腐蝕失效。同時，在乘員艙輪罩的內板布置瀝青阻尼板或LASD 水性阻尼材料，用于降低車輪飛轉和路面行駛的噪聲對乘員舒適性的影響。傳統的車身設計需要在輪罩區域噴涂抗石擊涂料和阻尼材料2種膠品，而采用具有高阻尼性能的抗石擊涂料噴涂于輪罩外板，噴涂厚度2 mm，可以集抗石擊和阻尼功能于一體，同步具有吸能、減振和抗石擊、防腐雙重功能，避免了輪罩區域重復噴涂多種功能的膠品造成的質量增加。因此，采用功能集成的多合一膠品可以在實現多項功能要求，同時直接減少膠品的使用種類和車身總質量。

6 輕量化膠品應用的機會和制約

中國承諾在2030 年實現碳達峰，2060 年實現碳中和，汽車行業承擔減碳的重要任務，汽車輕量化開發是汽車工業發展的必然選擇。此外，《中國制造2025》對新材料研究給予高度肯定，汽車作為多材料混合應用的載體，新材料開發和應用發展潛力巨大。汽車膠粘劑技術關聯車身結構設計、新材料應用和工藝優化3個重大方面，是汽車輕量化開發繞不開的技術。因此，汽車膠粘劑的輕量化技術開發的機會和前途光明。但在實際開發和應用的過程中存在以下諸多難點和制約：

（1）成本波動，新材料、新工藝的引入必然會打破原采購體系，成本波動影響其實際的應用效率。

（2）膠粘劑關聯整車各項性能，需要匹配基材、施工工藝和整車搭配，進行充分的性能驗證，開發周期長，且驗證費用高。

（3）膠粘劑的應用涉及研發、工藝、基地和采購多個部門，跨部門協同困難。

（4）膠粘劑切換可能會涉及設備或生產線調整，應用于已投產的基地需要停產、洗槽各項工作。

（5）膠粘劑是一種生產現場的通用化產品，一旦實施整體切換，市場零容差，不允許出現任何問題，因此，膠粘劑的開發和應用較為保守，切換異常慎重。

綜上，膠品的切換周期長，推廣難度大，但技術日新月異，好的產品一定是眾望所歸的，國內外整車廠敢于突破，勇于創新，輕量化膠品的開發和推廣一定是逐步實現的。

7 展望

整車廠未來對于車身膠粘劑的規劃，遵循輕量化設計、綠色制造的理念，主要從低密度、性能提升、功能集成和低能耗4個方面開發新型輕量化膠品。

（1）低密度方面：開發國產化高性能中空玻璃微珠改性密度的低密度型PVC、LASD膠，密度＜1.0 g/cm，實現更低密度、低成本的膠品開發。

（2）性能提升方向：與同等性能提升需求的鈑金增厚比，應用性能優異的膠品可實現車身質量減少；例如應用結構減振膠，在結構增強的同時提升NVH性能；應用高強玻璃膠，在實現玻璃粘接的同時提升車身剛度；此類膠品在滿足功能需求的同時增強玻璃和車身骨架的連接性能，提升車身扭轉剛度，可間接減少達到同樣性能要求需要的鈑金增厚。

（3）功能集成方向：開發多合一膠品滿足多區域多功能使用，提高存儲運輸效率，例如二合一橡膠基焊裝膠，集成點焊膠、減振膠功能；多合一PVC基涂裝膠，集成焊縫密封膠、抗石擊底涂、裙邊膠功能。

（4）低能耗方向：主要以減少工序、降低烘烤溫度或免烘烤為主的膠品。例如免噴涂玻璃膠，80 ℃低溫烘烤涂裝膠，雙組分免烘烤涂裝、總裝膠。

在汽車輕量化需求日益突出的環境下，車身各個系統都應該進行輕量化設計，車身膠品作為用量最大的輔料，輕量化開發和應用任重道遠。