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混雜結構用于定制結構性汽車零部件

王強華　編譯
(上海玻璃鋼研究院有限公司．上海201404)

摘　要

　　在開發新的汽車零部件和結構件時，保護乘客和提供舒適性，減輕車重并大程度降低生產成本是幾個重要的方面。特別是這些方面應用于碰撞結構件的開發。而且，為了滿足未來氣候保護的規定．汽車行業需要為輕量化制造開發創新和整體的方法。

　　當前在輕量化汽車制造中可以觀察到三種主要趨勢。種輕量化設計會涉及到高強度金屬合金，用復合材料替代金屬和結合不同的混雜材料。使用高強度金屬合金提供了機會來減少結構件的壁厚。但是，當達到臨界的小厚度時，設計師就會碰到穩定性問題。
　　對于輕量化結構，高強度材料的潛力是有限的。用碳纖維增強塑料(CFRP)替代傳統結構材料能極大地節省重量。由于長的周期時間和高的材料成本，這種替代被局限在高檔車輛上。多材料系統或混雜結構是由不同材料的組合，它利用了每種材料的優勢。

1　混雜結構

　　基于多材料或混雜設計的結構零部件是很有前途的備選方案。在這種背景下，研究了片狀金屬坯件結合局部CFRP增強材料。與單純的CFRP設計相比，這種設計應該使制造商能以更低的成本生產出與安全性相關的車輛零部件，如b柱。在片狀金屬結構中的局部CFRP增強材料提供了一個較高的重量節省潛力，因為增強片可以只用在高載荷區域，同時增強性
能可以被調整適應特定的載荷狀況(圖1)。局部應用CFRP可以降低鋼制部件的厚度。而且，與單一的CFRP部件相比，能有效減少材料成本。通過單獨成型片狀金屬部件，制造CFRP增強材料和用膠黏劑對它們進行膠接，可以生產一個充分的零部件。這種結合導致了相對較長的過程鏈以及較長的周期時間，因為膠黏劑的固化時間需要約30分鐘。

　　一個可供選擇的工藝是預浸料壓機技術，其中未固化的CFRP預浸料直接成型進入片狀金屬結構。對于金屬零部件中的材料類型沒有限制。因此也可以使用能被硬金屬壓的鋼。在這種情況下，預浸料的環氧樹脂還作為一種膠黏劑使用。在成型過程后，模具保持閉合約3到5分鐘，來進行一個預固化。CFRP增強材料的后固化會發生，例如，在一個下游的陽離子電泳上漆過程中。在該方法的工業應用被開發出來之前，對結果進行基礎研究工作和針對預浸料工藝的一個適當過程設計是必要的。特別是，半成品零部件上高度不同的材料性能要求一個充分的過程設計。因此，技術研究工作的目的是開發合適的過程策略和模具概念，以便于在一個短且強的過程鏈中以低的成本生產出具有良好性能的零部件。

2　預浸料壓機技術

　　預浸料是預先浸漬的半成品纖維產品，它們在特定的機器上被連續生產，以卷的形式裝運。在根據所希望的載荷和切割制成一層結構后，該預浸料和片狀金屬在一個單獨的成型工藝中連接起來。為了加快該過程，用一個機器人把成型的片狀金屬放人加熱的模具中。然后定制的預浸料被自動放在模具中，通過一個加熱的沖頭壓在片狀金屬上(圖2)。在較高的模具溫度(180℃)和壓力(0.2-0.5N／mm²)的影響下，預浸料在模其中預固化。通過使用優化的工藝參數，這個步驟能在約120秒的短周期時間內發生。環氧樹脂的后固化是在下游陽離子電泳上漆過程中進行，在180℃下持續30分鐘。使用基體樹脂作為一種膠黏劑膠接片狀金屬和CFRP，使任何附加的連接工藝就變得多余。

3　CFRP和片狀金屬的膠接

　　膠接CFRP和片狀金屬對于混雜材料的功能性和強度是―個決定性的因素。為了表征膠接性能并把它們和膠接接頭進行對比，按照DIN 1465對剪切―拉伸試樣進行研究。為了在經濟目標和接頭強度之間找到佳的平衡，根據反應．速度溫度規則(Arrhenius方程)使預浸料壓制過程中的壓實時間和溫度各不相同。溫度在120℃~200℃之間進行改變。高的強度在180℃固化210秒后達到。預浸料壓制試樣和膠黏劑膠接的試樣進行對比，研究不同類型的表面處理的影響(圖3)。

　　對膠黏劑膠接的試樣(Dow Betamate 1620)采用一種抗沖擊改性的結構環氧膠黏劑。在所有的試樣中，接近邊緣層的纖維取向垂直于載荷方向（90℃)。在預浸料壓制試樣和膠黏劑膠接的試樣之間，沒有發現重大的強度變化。對于壓制的試樣，破壞發生在邊緣層和CFRP的第二層纖維層之間，而膠黏劑膠接的試樣通過層纖維層的脫層而破壞。接頭區域本身未受到損壞。
　　這層纖維取向對于接頭的性能有大的影響(圖4)。試樣帶有垂直于載荷方向的纖維(90°)有高的強度。彈性基體材料主導了接近于邊緣層的力學性能。纖維只承擔一小部分載荷。這樣，層合板可以吸收局部拉伸峰就像一個膠接線。試樣帶有與載荷平行的接觸層
中的纖維，在施加載荷75％時破壞。

　　CFRP非均相結構反映在接頭的性能上。為了達到預期的復合物性能，在設計多材料系統中需要重新考慮材料的特定性能。

4　混雜結構的碰撞試驗

　　對采用預浸料壓制制造的混雜結構，其應用包括與碰撞相關的汽車結構零部件。進行各種不同的試驗來分析碰撞載荷情況下混雜材料的性能。為了一個基本的合格性，生產了幾種雙-Z字型材的組合，它們用1.5毫米和2毫米的DD11鋼以及9層CFRP增強材料制成。這些型材在一個車輛碰撞測試設施上在壓縮力作用下進行測試，類似于汽車碰撞箱。圖5顯示碰撞試驗的結果。帶有不同壁厚的純鋼和混雜結構的平均力及大位移顯示在圖中。為了詳細分析輕量化潛力，這些數值和試樣的重量相關。因此，例如3.5毫米混雜解決方案的平均比力是1.5毫米純鋼方案的2倍：混雜為60N／g，相比鋼結構為30N／g。作為個結果，可以說明混雜材料提供一個極大的重量節省潛力。下一步是增加碰撞試驗的數量。這意味著改變鋼材料、預浸料層和力，例如3點彎曲。

5　大規模生產的方法

　　對于把混雜結構落實到汽車應用中的實質要求是能進行大批量生產的合適方法。預浸料壓機技術通過使用自動工具如機器人或裝配線(圖6a)能夠滿足這種要求。這樣，一個機器人就能把成型的片狀金屬插入到一個加熱的模具中。同一個機器人還能把定制的預浸料插入。成型和固化按照之前所述進行。這個步驟可以被用來制造汽車結構件，例如b柱或搖板，周期時間低于5分鐘，而一般需要15分鐘。使用多個模具或多個靈活壓機裝置使周期時間能進一步減少(圖6b)，因為這個概念極大降低了停機的時間。

6　結論

　　混雜系統由片狀金屬和纖維增強塑料組成，它提供了在汽車工業中輕量化設計很大的潛力。與目前解決方案相比，預浸料壓機技術能夠極大地減少工藝步驟的數量和過程時間。通過使用預浸料壓機技術，CFRP預浸料在鋼結構件中成型。使用環氧樹脂作為一種膠黏劑進行膠接，它提供較高的接頭強度。而且，已顯示出該結構有較高的碰撞性能。

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