混杂结构用于定制结构性汽车零部件

王强华　编译
(上海玻璃钢研究院有限公司．上海201404)

摘　要

　　在开发新的汽车零部件和结构件时，保护乘客和提供舒适性，减轻车重并大程度降低生产成本是几个重要的方面。特别是这些方面应用于碰撞结构件的开发。而且，为了满足未来气候保护的规定．汽车行业需要为轻量化制造开发创新和整体的方法。

　　当前在轻量化汽车制造中可以观察到三种主要趋势。种轻量化设计会涉及到高强度金属合金，用复合材料替代金属和结合不同的混杂材料。使用高强度金属合金提供了机会来减少结构件的壁厚。但是，当达到临界的小厚度时，设计师就会碰到稳定性问题。
　　对于轻量化结构，高强度材料的潜力是有限的。用碳纤维增强塑料(CFRP)替代传统结构材料能极大地节省重量。由于长的周期时间和高的材料成本，这种替代被局限在高档车辆上。多材料系统或混杂结构是由不同材料的组合，它利用了每种材料的优势。

1　混杂结构

　　基于多材料或混杂设计的结构零部件是很有前途的备选方案。在这种背景下，研究了片状金属坯件结合局部CFRP增强材料。与单纯的CFRP设计相比，这种设计应该使制造商能以更低的成本生产出与安全性相关的车辆零部件，如b柱。在片状金属结构中的局部CFRP增强材料提供了一个较高的重量节省潜力，因为增强片可以只用在高载荷区域，同时增强性
能可以被调整适应特定的载荷状况(图1)。局部应用CFRP可以降低钢制部件的厚度。而且，与单一的CFRP部件相比，能有效减少材料成本。通过单独成型片状金属部件，制造CFRP增强材料和用胶黏剂对它们进行胶接，可以生产一个充分的零部件。这种结合导致了相对较长的过程链以及较长的周期时间，因为胶黏剂的固化时间需要约30分钟。

　　一个可供选择的工艺是预浸料压机技术，其中未固化的CFRP预浸料直接成型进入片状金属结构。对于金属零部件中的材料类型没有限制。因此也可以使用能被硬金属压的钢。在这种情况下，预浸料的环氧树脂还作为一种胶黏剂使用。在成型过程后，模具保持闭合约3到5分钟，来进行一个预固化。CFRP增强材料的后固化会发生，例如，在一个下游的阳离子电泳上漆过程中。在该方法的工业应用被开发出来之前，对结果进行基础研究工作和针对预浸料工艺的一个适当过程设计是必要的。特别是，半成品零部件上高度不同的材料性能要求一个充分的过程设计。因此，技术研究工作的目的是开发合适的过程策略和模具概念，以便于在一个短且强的过程链中以低的成本生产出具有良好性能的零部件。

2　预浸料压机技术

　　预浸料是预先浸渍的半成品纤维产品，它们在特定的机器上被连续生产，以卷的形式装运。在根据所希望的载荷和切割制成一层结构后，该预浸料和片状金属在一个单独的成型工艺中连接起来。为了加快该过程，用一个机器人把成型的片状金属放人加热的模具中。然后定制的预浸料被自动放在模具中，通过一个加热的冲头压在片状金属上(图2)。在较高的模具温度(180℃)和压力(0.2-0.5N／mm²)的影响下，预浸料在模其中预固化。通过使用优化的工艺参数，这个步骤能在约120秒的短周期时间内发生。环氧树脂的后固化是在下游阳离子电泳上漆过程中进行，在180℃下持续30分钟。使用基体树脂作为一种胶黏剂胶接片状金属和CFRP，使任何附加的连接工艺就变得多余。

3　CFRP和片状金属的胶接

　　胶接CFRP和片状金属对于混杂材料的功能性和强度是―个决定性的因素。为了表征胶接性能并把它们和胶接接头进行对比，按照DIN 1465对剪切―拉伸试样进行研究。为了在经济目标和接头强度之间找到佳的平衡，根据反应．速度温度规则(Arrhenius方程)使预浸料压制过程中的压实时间和温度各不相同。温度在120℃~200℃之间进行改变。高的强度在180℃固化210秒后达到。预浸料压制试样和胶黏剂胶接的试样进行对比，研究不同类型的表面处理的影响(图3)。

　　对胶黏剂胶接的试样(Dow Betamate 1620)采用一种抗冲击改性的结构环氧胶黏剂。在所有的试样中，接近边缘层的纤维取向垂直于载荷方向（90℃)。在预浸料压制试样和胶黏剂胶接的试样之间，没有发现重大的强度变化。对于压制的试样，破坏发生在边缘层和CFRP的第二层纤维层之间，而胶黏剂胶接的试样通过层纤维层的脱层而破坏。接头区域本身未受到损坏。
　　这层纤维取向对于接头的性能有大的影响(图4)。试样带有垂直于载荷方向的纤维(90°)有高的强度。弹性基体材料主导了接近于边缘层的力学性能。纤维只承担一小部分载荷。这样，层合板可以吸收局部拉伸峰就像一个胶接线。试样带有与载荷平行的接触层
中的纤维，在施加载荷75％时破坏。

　　CFRP非均相结构反映在接头的性能上。为了达到预期的复合物性能，在设计多材料系统中需要重新考虑材料的特定性能。

4　混杂结构的碰撞试验

　　对采用预浸料压制制造的混杂结构，其应用包括与碰撞相关的汽车结构零部件。进行各种不同的试验来分析碰撞载荷情况下混杂材料的性能。为了一个基本的合格性，生产了几种双-Z字型材的组合，它们用1.5毫米和2毫米的DD11钢以及9层CFRP增强材料制成。这些型材在一个车辆碰撞测试设施上在压缩力作用下进行测试，类似于汽车碰撞箱。图5显示碰撞试验的结果。带有不同壁厚的纯钢和混杂结构的平均力及大位移显示在图中。为了详细分析轻量化潜力，这些数值和试样的重量相关。因此，例如3.5毫米混杂解决方案的平均比力是1.5毫米纯钢方案的2倍：混杂为60N／g，相比钢结构为30N／g。作为个结果，可以说明混杂材料提供一个极大的重量节省潜力。下一步是增加碰撞试验的数量。这意味着改变钢材料、预浸料层和力，例如3点弯曲。

5　大规模生产的方法

　　对于把混杂结构落实到汽车应用中的实质要求是能进行大批量生产的合适方法。预浸料压机技术通过使用自动工具如机器人或装配线(图6a)能够满足这种要求。这样，一个机器人就能把成型的片状金属插入到一个加热的模具中。同一个机器人还能把定制的预浸料插入。成型和固化按照之前所述进行。这个步骤可以被用来制造汽车结构件，例如b柱或摇板，周期时间低于5分钟，而一般需要15分钟。使用多个模具或多个灵活压机装置使周期时间能进一步减少(图6b)，因为这个概念极大降低了停机的时间。

6　结论

　　混杂系统由片状金属和纤维增强塑料组成，它提供了在汽车工业中轻量化设计很大的潜力。与目前解决方案相比，预浸料压机技术能够极大地减少工艺步骤的数量和过程时间。通过使用预浸料压机技术，CFRP预浸料在钢结构件中成型。使用环氧树脂作为一种胶黏剂进行胶接，它提供较高的接头强度。而且，已显示出该结构有较高的碰撞性能。