碳纤维复合材料在汽车前地板下纵梁加强板应用初探

郭琳琳 徐勇 范伟江 吴庆春130012) (一汽轿车股份有限公司,长春 摘要:为了探究碳纤维复合材料在结构件上应用的可行性,选取前地板下纵梁加强板作为研究对象,分别选取了两套树脂体系(低温型碳纤维增强树脂基复合材料及高温型碳纤维增强树脂基复合材料)进行了对比试验。通过此项目掌握了车用碳纤维复合材料应用于前地板下纵梁加强板的主要性能评价方法。也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。 关键词:碳纤维 前地板下纵梁加强板 可行性分析U465.6 B Doi:10

Automobile Technology & Material - - 材 料应用 -

1 前言

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[1],但关于其在汽车结构件上的应用研究却鲜有报道。

碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、比模量高等优势,若将其用在结构件上将会使其优势得到充分的发挥。如果作为结构件在涂装之前装配就不得不考虑涂装烘干炉的高温环境。目

170~220 ℃,前电泳涂装烘烤温度大多在 经过此温度会对复合材料的力学性能造成影响,并可能使复合材料产生形变,出现局部应力集中等,选取的复合材料是否耐得了烘干炉的高温成了值得考验的课题。碳纤维增强树脂基复合材料在与金属接触时发生的电偶腐蚀及防护问题也是个重要的课题[2]。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结件的盐雾腐蚀性能,并讨论了烘烤对性能的影响,旨在探讨碳纤维复合材料在汽车前地板下纵梁加强板上应用的初步可行性,也为碳纤维复合材料拓展应用提供了借鉴思路。

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

UD)( / T300维( 中间层)编织(表层)。碳纤维采用

3k T300 12 k级的 编织纤维和 级的 单向纤维。树

55%脂基体均为环氧树脂,纤维体积比为 。胶黏剂

H1500为环氧树脂型结构胶。下纵梁为 钢板。

2.2 试验方法及设备

ASTM D3039/D3039M- 08拉伸试验参照 《聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》,弯曲试验参照GB/T 1449— 2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方GB/T 1043.1— 2008法》,冲击试验参照 《塑料简支1梁冲击性能的测定 第 部分:非仪器化冲击试GB/T 7124— 2008验》,抗剪试验参照 《胶粘剂 拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)》,低温脆GB/T 5470— 2008化试验参照 《塑料 冲击法脆化温GB/T 1634.2—度的测定》,热变形温度测定参照2004 2《塑料负荷变形温度的测定 第 部分:塑料、Zwick硬塑料和长纤维增强复合材料》。采用 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220 ℃,0.5 h谱分析仪。烘烤条件为 。

3 试验结果 3.1 拉伸试验

Zwick试验采用 拉伸试验机。加载速度为2 mm/min 1。拉伸试验结果见表 。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220 ℃有下降,经过 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220 ℃不明显,但经过 烘烤后弯曲强度下降明显, 2见表 。

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220 ℃ 3过 烘烤后冲击强度下降明显,见表 。

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4度见表 。

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5, 1 2 mm/min验,试验结果见表 图 。加载速度为 。

3.6 烘烤试验

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

3.7 落球冲击试验

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

3.8 NSS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

48 h 4验周期 后两种材料接触面未见腐蚀现象,见图 。

4 分析与讨论

220 ℃经过 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

5 6 7以及红外光谱分析,分别见图 、图 、图 。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

930 cm-烤后除了 1处环氧基发生了反应,与苯环相

1 563 cm-关的吸收峰( 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。

参考文献

[1] , . J.余嫒权 卢朕 碳纤维复合材料在汽车行业的应用[ ] , 2013, (7): 52-55.上海汽车[2] , .张凯 范敬辉等 碳纤维复合材料与金属的电偶腐蚀及J. , 2008, (3):20-23.防护[ ]电工材料

图5 烘烤试验前后扫描电镜对比

图1 剪切试验后

图2 烘烤试验前后对比

图4 盐雾试验后

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