汽車復合材料涂裝、連接、維修和回收四大問題探討

  復合材料應用于汽車行業最早開始于1953年,近年來,復合材料在汽車行業應用中保持著持續增長的發展勢頭,并且這個趨勢還將繼續朝著向上方向發展。復合材料的用量之所以會在汽車行業中持續增長,是因為復合材料具備了許多優秀的性能,如:強度高、重量輕、耐腐蝕,并且與鋁材和鋼材相比,加工成本更低、設計的靈活性更強、更容易成型等等??傊?,復合材料是汽車行業替代金屬材料的一個很好的可選項。然而,事實上在汽車制造領域,其制作材料并沒有完全直接從金屬材料轉換到復合材料,尤其在大批量生產的汽車方面,復合材料的應用還是很有限的,這是因為有許多和復合材料使用相關的技術問題仍然沒有很好地得到解決,其中包括準確的材料定性、生產、油漆、維修、和金屬材料的連接以及回收等問題。盡管近年來世界上復合材料的新材料、新工藝和新技術不斷涌現,從而在很大程度上使上述問題得到了改善,促進了復合材料在各類汽車中的廣泛應用,但也不能否認復合材料在汽車上的廣泛應用特別是在中國汽車行業真正廣泛應用仍然存在應用技術方面的各類問題,這需要我們去關注,去研究,去探討,去實踐。

  汽車復合材料的涂裝

  在汽車工業中,汽車車身的外表油漆質量是整車質量最重要的指標之一,因為車身油漆表面不僅起到保護車廂不被腐蝕的作用而且對汽車美化外觀有著十分重要的影響。因此,盡管汽車生產主機廠承認復合材料與傳統的金屬相比具有種種的優點,但是他們對于復合材料經噴涂后的表面是否具有同金屬表面一樣的質量,仍持保留態度。事實上,復合材料在汽車車身面板方面使用中所遇到的一個最大的挑戰就是:復合材料經涂裝后產生的瑕疵。

  我們以復合材料在汽車車身面板方面使用最多的片狀模塑料SMC部件為例,SMC車身部件在涂裝后通常會產生很多的表面瑕疵,例如:針眼、氣孔、裂紋、氣泡等,尤其在車身面板的邊緣區域氣泡情況較為嚴重。為了彌補這些缺陷,減少不合格產品率,提高部件的表面質量,國內生產廠家目前是通過大量的涂裝后修補手段如破泡、打磨、填膩子、拋光等來加以改進,然后再按通常的涂裝工藝進行表面再涂裝。這樣做的結果雖然減少了不合格品率,但增加了大量的后修補工序和再涂裝使生產成本大幅上升,另外也限制了SMC在A級車身面板上的應用。

  SMC車身面板在涂裝后產生表面油漆瑕疵和起泡的原因絕大部分都歸因于基質中的微小孔隙和微裂紋。而這些微小孔隙和微裂紋常常是在生產及搬運過程中不注意人為形成的,例如從部件的模壓到脫模到除邊的過程,以及從部件的包裝到運輸的過程,我們經常會發現,在部件的邊緣部分會產生許多微裂紋。正是這些看似微不足道的微小孔隙和微裂紋,在油漆噴涂過程中積聚了空氣中的水分和油漆中揮發性溶劑,當油漆后的SMC部件通過烘箱高溫烘烤時,水分和溶劑膨脹蒸發變成氣泡逸出,造成已噴完漆的部件表面起泡或氣泡破裂變成氣孔、針眼等油漆瑕疵。

  就SMC部件在涂裝后產生的表面瑕疵,目前國外復合材料行業主要的做法是消除微孔隙和微裂紋,從根夲上杜絕產生油漆表面瑕疵的根源,收到了很好的效果,主要有以下幾方面的措施:

  1、生產高強度、高韌性SMC樹脂。

  近年來,美國AOC公司和ThyssenkruppBudd公司聯合起來開發了Atryl?TCA一種新的SMC樹脂。這種SMC樹脂強度高,生產出的部件可減少50%的表面波痕(與傳統的SMC表面相比),并增加了69%的韌性(與傳統的SMC樹脂相比)。由于具有這些性能,可顯著地阻止在脫模過程及脫模后微裂紋的產生,這樣即使在重要的邊緣區域也不會產生微裂紋。

  2.加強模壓工藝控制和模具技術進步。

  通過改變SMC片材加料方式和片材鋪覆位置;增加材料的流動距離;使閉模過程中材料發生均勻位移等措施以達到減少SMC部件孔隙量。具體做法有采用PLC、NCN控制復合材料壓機對不同部件的產品模壓工藝進行對應編程模壓控制;采用激光定位儀對材料鋪覆進行正確定位等。另外對大型或復雜零部件采用真空輔助排氣模具,在真空條件下進行模壓成型操作,這樣就可以顯著降低甚至消除SMC多孔性缺陷。

  3.開發新型底漆涂料和新型涂裝工藝。

  2003年BASF公司針對SMC“油漆氣泡”難題,推出DynaSeal?紫外固化封孔劑,這種技術使得SMC部件在噴漆烘干前,通過紫外引發聚合反應對SMC表面進行封孔,在接下來的噴漆油漆固化中,這層紫外固化的封孔劑層可阻止SMC基體中吸收的揮發物逸出,從而避免了氣孔的產生。另外一個方法就是模內涂層(IMC)。SMC在模具內部完全固化了之后,操作人員注入一層液體的涂層材料,然后這層涂層材料在SMC的表面固化并填充滿所有的空隙,同時提供一層類似底漆的表面,防止了油漆氣泡的產生。

  4.文明生產,文明搬運。

  SMC部件產生微裂紋很大程度上是從脫模到除邊的過程,以及從部件的包裝到運輸的過程中不文明生產和不文明搬運造成的。因此加強文明生產和文明搬運的教育至關重要,國外己普遍實行“產品不著地”的文明生產方式,在汽車復合材料行業大力推廣另件專用周轉箱(架)物流形式,減少了搬運次數,不讓另件有互相碰撞機會,杜絕人為因素造成的微裂紋產生。

  以上介紹的國外幾種新材料、新工藝、新技術著眼從根源上解決汽車復合材料在涂裝方面不盡人意的缺陷,消除限制復合材料大規模應用的障礙,使復合材料車身面板能夠達到或超過傳統的鋼鐵材料的油漆的水平,從而使汽車復合材料的應用將日益廣泛。

  汽車復合材料的連接和固定

  隨著汽車復合材料的應用日益廣泛,汽車復合材料部件之間的組合裝配以及復合材料部件與鄰近金屬零部件的連接固定的問題日益突出,汽車行業傳統金屬零部件之間的連接方式已不能適應客觀需求了,在此情況下,我們有必要對汽車復合材料的連接與固定的連接方式進行新的學習和認識,并進行合理的選擇。根據國外成熟的經驗,汽車復合材料連接固定的方式主要有三種方式:(1)機械緊固;(2)粘結劑粘接;(3)焊接/熔接。

  機械緊固:

  這種連接固定方法使用的是鉚釘和螺栓,是最普及也是最容易理解的一種連接方式。對汽車行業來說,機械緊固連接方式有許多不足之處,如:重量增加、應力集中、部件之間的交迭、高公差的要求、電蝕性等。但是,從另一方面說,機械連接不需要對表面進行處理或后續的拋光,這樣重復拆卸就很方便(如:檢查、維修和回收)。相對而言,對環境的影響也不是很敏感,如溫度的影響等。

  粘結劑粘接:

  連接固定方法相對于機械緊固連接固定方法具有以下優點:減輕結構重量,外觀平整光滑,改善疲勞強度,適應性強,最適合薄壁部件的連接,粘接工藝簡單,可縮短生產周期。,但粘結劑粘接連接固定方法也存在一些缺點,如另部件的工作溫度范圍不高;粘接質量易受不同因素影響,產品性能的分散性較大;沒有可靠的檢驗方法;粘接面的表面處理和粘接工藝過程要求較嚴;需要專用的加熱加壓處理粘接工裝等。因此,在一些重要的部件和連接位置,往往會采用粘接與某一種機械緊固連接的混合連接固定方法,既充分利用了粘接的優點,又確保了連接部位的足夠強度和可靠性。

  焊接/熔接連接:

  固定方法主要應用于熱塑性汽車復合材料部件,焊接/熔接連接固定方法的主要優點是:良好的機械性能、連接處的耐用性、加工時間短,易于在線檢測以及部件表面處理要求低等??梢杂糜跓崴苄云噺秃喜牧系暮附?熔接連接固定方法主要有三種:(1)超聲波焊接/熔接、(2)電感應焊接/熔接(3)電阻焊接/熔接。對汽車復合材料進行焊接/熔接有以下不足之處:不易拆卸、需要添加導電性的填料(針對電感應焊接/熔接)、需要使用金屬網(針對電阻焊接/熔接)、可允許的碳纖維含量很低(所有三種焊接/熔接工藝)等。

  根據上述簡單介紹,我們知道汽車復合材料連接固定的方式主要有三種,每一種都有各自的優缺點,適應不同的應用場合。但相對而言,最有發展潛力的汽車復合材料連接工藝是采用粘結劑連接固定方法,隨著粘結劑向著功能性不斷提高、具有雙重效力(既可以粘結熱固性復合材料又可以粘結熱塑性復合材料)以及綠色環保的方向發展,汽車復合材料粘結劑連接固定方法正日益為汽車工業所重視、接受并盛行起來。限于篇幅,本節汽車復合材料的連接和固定,主要討論粘結劑粘接連接固定方法。

  汽車復合材料粘結劑粘接連接固定方法的優點

  近年來,由于高性能結構粘結劑的出現,使得采用粘結劑粘接的連接方式不斷得到人們的認可。作為一種最有發展潛力的連接固定工藝,它有許多突出的優點:

  1、可以根據具體的設計要求(如:防撞擊性能)來決定粘結劑的機械性能;

  2、粘結劑的超抗疲勞和耐腐蝕的優點可以延長產品的使用壽命;

  3、粘結劑具有很好的密封性;

  4、兩種材料或結構粘接在一起可以實現比較光滑的表面,具有造型設計上的優勢;

  5、通過整個的粘接區域來分散部件所受的負荷,從而避免了局部最大壓力的集中;

  6、粘結劑填充空隙的特點可允許部件有一定的公差;

  7、可對粘結劑的硬度進行調整,優化整個產品的硬度

  汽車復合材料常用結構粘結劑的種類

  一般來說,汽車復合材料結構粘結劑通常使用環氧樹脂、聚氨酯樹脂和丙烯酸酯樹脂為基礎的三大類粘結劑,該三大類粘結劑在使用中也各具特點,應該準對不同的材料和要求進行不同的選擇:

  環氧基粘結劑:

  對復合材料、熱固性塑料和金屬粘接性極好;強度、撓度和彈性都很高;固化過程收縮性最小。分為單、雙組份兩種。單組份環氧粘接劑要求熱固化,應用條件要求很嚴。

  聚氨酯基粘結劑:

  對絕大部分復合材料和塑料的粘接性極好;對金屬的粘接性較好;機械性能從剛性到撓性范圍大;持久性好;但加工過程中對潮濕敏感;固化速度的范圍較廣。

  丙烯酸基粘結劑:

  對復合材料和熱固性塑料的粘接性極好;對金屬的粘接性好;允許被粘件進行較差的預處理;能達到高強度與高韌性的最佳結合;耐化學性好,有效使用期長;固化速度快;但有惡臭;固化過程中收縮性較高。

  表1為汽車復合材料三類結構粘接劑的典型性能,由于結構粘結劑的品種繁多,使用的要求又各不相同,所以應以實際使用結構粘結劑的性能為準,表中數值僅供參考。

  汽車復合材料(尤其是熱塑性汽車復合材料)的表面能都相對較低,所以在使用結構粘結劑之前,需要對汽車復合材料表面進行適當的處理,以去除表面的污垢、粉塵、油污、油脂、水分、脫模劑和增塑劑等,同時,提高基材的表面能,使其高于結構粘結劑的表面能量,從而確保結構粘結劑能夠充分潤濕基材表面,這對于實現堅固可靠且耐久的粘接是至關重要的。下面,將介紹三種常用的表面處理方法。

  1.溶劑擦拭法

  這是最簡單的表面處理方式,能夠去除粘接表面的蠟質、油污和其他小分子量的污染物。這項技術要求污染物可溶于溶劑,且溶劑本身不含溶解的污染物。為此,對溶劑的選擇就顯得非常重要。一般,常用的溶劑包括:丙酮、丁酮、甲基異丁基酮、二甲苯、三氯乙烯、乙醇和異丙醇等,在擦拭中應注意使用清潔的無塵擦布或紙巾。但這種表面處理方法的缺點是:溶劑可能會對基材產生不良影響,如熱塑性復合材料可能會被溶解,顯現出應力裂紋或龜裂;可能會造成交叉污染,如樣品與樣品之間的污染、重復使用或浸入到溶劑中的擦布的污染等;產生的蒸汽可能會危害工人的健康;不適用于大規模的生產要求(大規模的工業生產可選用蒸汽脫脂和超聲波蒸汽脫脂的方法)。

  2.打磨法

  打磨可去除表面污染物,并獲得高度毛化的表面,從而增加結構粘接劑的粘接接觸面,以產生“咬合效應”。常用的打磨方法包括:采用鋼絲刷、砂紙或銼削等的手工打磨;采用砂帶、砂輪或噴丸/噴砂等的自動打磨;以及相對較快,對操作者依賴性低且重復性和成本效益均較好的機械打磨等。

  3.火焰處理法

  火焰處理是利用氣體或氣體/氧氣火焰,對表面進行部分氧化,以產生極性基,從而提高聚合物的表面能。此技術所處理的基材厚度較采用電暈預處理的基材厚度大,尤其適用于不均勻的熱塑性復合材料制品。其優點是:氣體與氧氣的比例、流量、暴露時間和火焰與基材的距離易于調節,已被證實是適用于聚丙烯類復合材料的較有效的方法。

  汽車復合材料粘接前的表面處理除了以上介紹三種常用的表面處理方法外,還有一些相對先進和準對特殊粘接要求的復雜的表面處理技術,如等離子體處理電暈放電處理化學處理等。但無論采用那種表面處理方法,關鍵是要求有清潔的粘接表面和確保粘結劑能夠充分潤濕基材,這是我們應該嚴格加以關注的。

  汽車復合材料粘接接頭的設計

  汽車復合材料粘結劑粘接連接固定方法除了粘結劑的選擇與配制以及粘接表面處理是很關鍵的步驟外,粘接接頭的設計好壞同樣將直接影響到粘接性能和強度。汽車復合材料粘接接頭設計的一般原則是:保證粘接面上應力分布均勻;將應力減少到最小限度,使之純粹受拉力和剪切力;盡可能擴大粘接面積等。汽車復合材料粘接接頭的結構設計形式也是多種多樣的,根據被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式;根據材料的粘接方式又可分為對接、搭接、插接、對切雙搭接等等。從接頭形式看,一般認為插接結構比較理想,其次是搭接和斜搭接。但在實際應用中,主要根據被粘接制品的結構和需粘接的部位而具體確定。

  汽車復合材料的維修

  傳統意義上的汽車碰撞維修,只是簡單將碰撞受損變形的車身固定后,用加熱、機械拉伸的方式進行維修,然后再靠榔頭等簡單工具調整和修復車身鋼板、車門和立柱等的間隙和形狀,最后靠膩子、原子灰以及修補漆恢復原貌。對于鋼板車身的碰撞維修我們都已駕輕就熟了,但隨著汽車復合材料在汽車車身上應用的日益廣泛,汽車復合材料車身碰撞受損后的維護修復卻開始成為汽車行業新的困惑,汽車復合材料碰撞受損后究竟能不能修復?如果可以的話,怎么進行修復?經過修復后的車身能否恢復到受損前的狀態?這些問題的答案是明確的:目前在汽車上所使用的復合材料部件都是可以修補的,而且完全能達到受損前的狀態。之所以會得出這樣的結論,是因為在過去的若干年中,維修汽車復合材料所用的粘結劑等產品得到了很大的改進,維修的工藝技術也已日臻成熟,從某種程度上講,汽車復合材料的維修工序要比鋼板材料更加簡便和易于操作。

  目前大多數維修部門已經掌握手工鋪層玻璃纖維增強塑料的維修技術,而對復合材料在汽車車身面板方面使用最多的片狀模塑料SMC部件的維修卻缺乏認識,仍采用傳統維修手工鋪層玻璃纖維增強塑料的方法,結果經常會產生維修失敗的情況。這是由于SMC的化學組成成份和手工鋪層玻璃纖維增強塑料是不相同的。維修SMC部件通常需要專用SMC材料制成的粘結劑,而SMC維修專用粘結劑的玻纖含量要與被維修SMC部件的玻纖含量基夲一致,這樣才能使修補的部分與被修部件保持相對一致的熱膨脹或收縮比率,否則的話,維修數周后會出現類似“牛眼”或“暈環”的形狀,說明維修工作同樣是失敗的。另外,無論在維修過程中使用何種材料,都必須按照粘結劑生產商的指導說明正確地去操作,尤其要特別注意維修材料的固化時間

  汽車復合材料的回收

  出于經濟和環保的原因,在汽車行業中采用回收工藝已經有很長的歷史。早期的汽車,如轎車、客車、卡車幾乎全都使用了金屬,回收的方法主要就是將廢舊的金屬部件熔化掉,以便于再次利用。

  這種回收方法對于金屬材料來說是相當理想的,通過熔融處理,金屬部件可以成為新的材料。但遺憾的是,汽車復合材料卻不能像金屬材料這樣進行回收,我們經常會被問及:汽車復合材料是否屬于可回收的材料?如果屬于可回收的材料,怎樣才能方便地回收汽車復合材料?正如我們己經知道,汽車復合材料包括熱固性汽車復合材料和熱塑性汽車復合材料兩大類,其中熱塑性汽車復合材料可以通過再熔化回收利用已為大家所了解,持有疑問或為汽車行業專家頗感頭痛的問題是熱固性汽車復合材料能否進行回收和再利用?事實上熱固性汽車復合材料同樣屬于可回收的材料,這在汽車復合材料應用最為發達的美國、歐洲等國家早己有定論,只是熱固性汽車復合材料因為具有化學、熱力學、機械穩定性較高的特點,一方面使它們成為汽車許多應用領域的首選材料,另一方面也存在著其回收有一定困難的客觀事實。熱固性汽車復合材料不像傳統金屬材料和熱塑性汽車復合材料那樣可以通過簡單再熔化方式來回收,它們必須用不同的加工方法處理。

  針對熱固性汽車復合材料的處理和回收,人們通過不斷的探索和實踐已研發出多種回收處理技術方案,其中較為行業普遍接受的回收處理方法有下列三種:

  1、熱解法。

  熱解法又稱為化學回收處理方法,簡單地講,熱解法是在無氧的環境中加熱,將有機物質有控制地熱分解成可回收的一種或多種物質的方法。熱固性汽車復合材料熱解處理的一般過程為:先將廢舊的熱固性汽車復合材料制品切割成50mm×50mm大小的碎塊,用水蒸氣蒸煮后,置于熱解爐中處理。結果顯示,熱固性汽車復合材料在處理系統中很容易被蒸餾,苯乙烯-聚酯樹脂基材料很快被揮發而轉變為可燃氣體和可燃油,并將有機物質完全從玻璃纖維和CaCO3中分離出來。經熱解法處理我們得到了三種可回收的物質,即熱解氣、熱解油及固體副產物。

  2、粉碎法

  粉碎法又稱為物理回收處理方法,是一種直接利用廢舊熱固性汽車復合材料而并不改變其化學性質的一種回收方法,也是目前最直接、最有效的方法。熱固性汽車復合材料粉碎處理的一般過程為:先將廢舊的熱固性汽車復合材料切成50mm×20mm大小的碎塊,并通過除鐵處理,然后用錘磨機對碎塊進一步粉碎,粉碎后的粉料通過二級氣旋式分離器進行分級分理,粗料重回錘磨機再粉碎,粉料進入振動篩進行分級處理,將各種不同顆粒直徑粉料分別貯存于相應的收集箱內,供各種不同應用場合再利用。粉碎法的效果較好,效率較高,實用性也強,可以制成大至9.5mm有用顆粒粗料,也可生產小至200目(60μm)或更細的粉狀填料。

  3、焚燒法

  焚燒法又稱為能量回收法,是一種利用廢舊熱固性汽車復合材料作燃料進行焚燒,以獲取能量的一種回收方法。熱固性汽車復合材料焚燒處理的一般過程為:先將廢舊的熱固性汽車復合材料粉碎為粒徑10mm大小的粉末,然后吹入水泥窯爐內,作為燃料燃燒,以能量的方式回收由于焚燒交聯的聚酯產生的熱能,而經煅燒的灰分能作為水泥原料使用。這種方法的特點是:把廢舊熱固性汽車復合材料一部分轉化成能源,可以減小部分燃料用量,也減少了二氧化碳的排放,另外因窯爐內溫度高,產生的有害氣體極少,沒有有害氣體污染空氣的問題;再由于經煅燒的灰分與水泥的化學成分相同,完全可以作為水泥原料使用。因此,焚燒法能把廢舊熱固性汽車復合材料通過焚燒將能源利用和材料回收結合起來一次性全部回收,具有很好的推廣價值。

  通過上述三種回收處理方法介紹,我們可以更加明確地知道汽車復合材料部件不僅是可以回收的,是一種可回收材料,而且在回收技術沒有任何障礙。根據國外回收處理的經驗,汽車復合材料存在的最大問題是回收后材料的最終使用以及成本方面的問題,這些問題需要我們今后認真去研究和關注。

  結束語

  復合材料在汽車中的應用已有五十五年的悠久歷史,在世界范圍內,復合材料被廣泛地應用到汽車的車身內、外飾件以及部分半結構件和結構件,為汽車工業的輕量化做出了巨大的貢獻,積累了豐富的設計、制造、應用方面的經驗和大量的成功范例,這是汽車復合材料行業的驕傲,也是汽車工業引以為榮的成就。但是,我們應該清醒地認識到:盡管汽車復合材料具有很大的發展潛力,汽車復合材料行業需要展示這些復合材料產品的優點,以及和金屬件相比所存在的優勢,但這并不意味著復合材料在未來就一定或必然會替代金屬材料??梢灶A見的是:在近階段,復合材料應用于汽車部分的數量將不斷增加,但正如航空航天業那樣,在汽車行業中復合材料同樣不會也不可能完全替代金屬材料。比較理想的一種情況就是,汽車設計師將同時采用復合材料和金屬材料進行設計和生產制造,分別利用其最佳的性能特點,設計制造出真正性價比最佳的新一代汽車。但如果采用這種混合材料汽車的設計制造方法,我們必須要謹慎地考慮復合材料和金屬材料的相容性問題,另外一個必要的條件就是需要具備產品設計、模擬和生產方面的軟件。希望有一天,汽車工業能像制造波音787飛機一樣,50%采用復合材料,這將對世界汽車能源、環保、安全、舒適性產生何等重大的影響??!我們期待這一天,我們為這一天的早日到來而努力!

轉自:材料+

Copyright ? 2018 武漢流光設備有限公司 鄂ICP備18016868號
日本在线不卡二区三区,亚洲欧美日韩在线,中文无码不卡的岛国片,色八区人妻在线视频