电泳/高温涂装对车用复合材料性能影响研究

肖云健，刘家鑫，李发长，丁存光，于勇智

(北京天宜上佳高新材料股份有限公司，北京 100094)

0 引言

随着全球汽车产销量的增长，汽车已然成为人们出行的重要交通工具[1]。汽车的发展与进步，不断推进社会文明的发展进程，但同时也伴随着两大问题——能源问题与环境问题。在2018年，我国汽车整体产销首次下滑，整体销量下降5.8%，但新能源汽车的产销形势持续增长，同比增长61.7%，汽车行业产业结构正在逐渐调整，未来或将迎来高质量发展[2]。传统燃油汽车和新能源汽车各自将面临挑战：传统燃油汽车面临百公里燃油耗，即至2020年，乘用车新车平均油耗5.0 L/100 km，至2025年，乘用新车平均油耗4.0 L/100 km[3]，车身轻量化与百公里油耗息息相关；新能源汽车采用电池作为动力来驱动汽车运行，受电池能量密度制约，车身轻量化程度将直接决定其续航里程[4]。因此，汽车轻量化是未来汽车业界的重要发展趋势，不仅仅解决汽车节能减排两大问题，而且汽车轻量化又有利于汽车的操控性能与安全性[5]。

碳纤维复合材料因质轻高强、可设计性好和零部件一体化等优异的综合性能[6]，相比钢铁、铝合金等材料[7]，在汽车轻量化领域中潜力巨大，应用前景最广。鉴于车身复杂性能的要求，在短期内，包含碳纤维复合材料在内的轻质材料不可能完全取代传统车身材料。德国学者HAHN等提出多材料轻量化结构，即异质材料车身结构，在合适的部位用合适的材料[8]。宝马7系车身上大量使用碳纤维复合材料等[9]，如侧边梁、B柱加强板等结构件。在实际生产过程中，侧边梁、B柱加强板等碳纤维复合材料结构件需要遵循传统汽车生产的涂装工艺(图1)，与其他车身骨架一同进行电泳涂装工艺，满足生产节拍，从而保证量产效率。因此，需要研究电泳/高温涂装工艺对碳纤维复合材料的影响，系统评估两者之间的相关影响程度。

图1 某主机厂电泳涂装车间

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验采用立邦powernics 150黑色电泳漆,为本田系专用产品，是无铅阳离子电泳涂料，具有良好涂抹外观、涂膜性能、涂装作业性和涂料稳定性。该涂料工作温度为(30±1) ℃，施加电压为180 V，电泳时间为180 s，干燥条件为170 ℃、20 min。

试验采用中安信ZA50XC-12K碳纤维，织物形式为经编单轴向，克重为400 g/m2，采用树脂4350A/B，湿法模压工艺成型，层合板和试验件均采用[-45 °/+45 °/0 °/+45 °/-45 °]，力学测试参照ASTM标准，层合板DMA参照ASTM标准，样件外观采用红外激光扫描仪测试外观尺寸变化和变形程度。

1.2 电泳/高温涂装试验工序

试样电泳涂装过程分为两大步骤，第一步为试样(碳纤维层合板和聚氨酯结构胶单搭接试样)前处理工序，即碱性脱脂、冲洗、表调处理、磷化处理，将碳纤维复合材料试样进行电泳前处理工序：脱脂处理、表调处理、水洗、干燥。

第二步为试样的电泳涂装工序，设定电泳槽液温度为30 ℃，电压180 V，先将试样浸入电泳槽液中，3 min后，将试样取出；然后用清水冲洗试样表面槽液，并悬挂于空气中，将试样表面上的水晾干；最后将试样放入烘箱中，恒定温度170 ℃，25 min后取出试样，自然降至室温，即整个电泳涂装工艺完成。

第三部分采用高温烘烤，模拟钣金的底漆、中涂、色漆的喷涂过程(180 ℃/20 min、160 ℃/20 min、150 ℃/20 min)，观测层合板力学性能和产品外观尺寸变化。

1.3 电泳槽液成分变化

本试验通过表征电泳槽液的成分变化，验证复合材料对电泳槽液是否有影响。采用放大影响因素的方式进行试验，即以宝马7系车型为例：B柱加强板、顶盖横梁、侧边梁均采用碳纤维制品，其表面积与车身电泳槽液体积比i1≤0.026 8，试验用于电泳的槽液池为1 000 mL的烧杯，试样表面积与电泳槽液体积比i2>0.468 8，因为i2>i1，即以实验的手段放大复合材料对电泳池液的影响，从而研究复合材料对电泳槽液成分是否有影响，电泳槽液能否继续使用。

本试验模拟车身实际电泳工艺，车身在电泳池中停留3 min，即试样浸入电泳池内3 min，时间较短，无法评估连续生产过程中碳纤维复合材料对电泳槽液是否有影响及影响程度。因此，本试验采用两种方式进行验证，一组采用碳纤维复合材料同车身工艺进行电泳试验，电泳完成后进行槽液指标定性测量与金属板电泳漆膜性能测量，另一组延长试验时间，将试样浸入电泳槽液7天，7天后进行槽液指标定性测量与金属板电泳漆膜性能测量。本试验主要检测电泳池槽液指标为：电泳漆固体分、灰分、pH值，电导率参数以及漆膜附着力、硬度，并与原始槽液性能进行比较，分析槽液的成分是否发生变化，评估槽液是否可以继续使用。

1.4 电泳/高温涂装对复合材料性能的影响

本试验主要检测的指标包括：碳纤维/环氧复合材料的拉伸强度与模量、压缩强度与模量、剪切强度与模量以及玻璃化转变温度Tg；碳纤维典型产品电泳/高温涂装前后的变形程度。通过研究电泳前后复合材料的性能变化与产品变形程度，评估电泳涂装环境对复合材料的性能影响。

2 结果及分析

本文通过将碳纤维复合材料层合板试样与碳纤维复合材料典型产品进行电泳涂装的试验，研究复合材料与电泳槽液之间的相互影响，即复合材料对电泳槽液影响的研究与电泳涂装对复合材料性能影响的研究，进一步论证碳纤维复合材料在汽车轻量化领域的可应用性。

2.1 复合材料对电泳槽液的影响

将原始槽液、电泳试样后的槽液和浸泡过7天试样的槽液，放置在一排，静置1 h后观测，经观测，三者没有明显颜色差异，无明显沉淀产生。通过测试槽液固体分含量、灰分、pH、电导率和MEQ值五种指标，表征三种槽液成分变化，测试结果见表1。五种指标的高低直接影响电泳漆层的质量与性能，如槽液固体分含量过低，电解析气增加，产生大量气泡，钣金表面漆层变薄，容易出现针孔；槽液固体分含量过高，则钣金表面漆层粗糙，影响漆层质量。

表1 槽液四种指标变化

经分析，电泳试样槽液固体分含量和灰分值略微降低，由于碳纤维可以导电，而树脂不导电，因此，经过电泳，碳纤维复合材料的表面会沉积一层不均匀的电泳漆。电泳后碳纤维复材试片表面沉积一层不均匀的电泳漆，会对电泳槽液固体分和灰分造成略微影响。电泳试样槽液和浸泡试样槽液的pH值、MEQ值以及电导率指标均在正常范围内，表明槽液可以继续使用。

金属试片的表面漆膜性能见表2。经分析，漆膜表面硬度、附着力与原始槽液电泳后金属试片的漆膜没有差异性变化，漆膜表面粗糙度略微提高，但在可接受范围内，表明同步电泳碳纤维复合材料不影响金属试片表面电泳漆性能。

表2 金属试片漆膜性能变化

2.2 电泳涂装对复合材料性能影响

将碳纤维复材层合板试片进行电泳涂装处理，通过测试其性能指标变化，表征电泳涂装环境对复合材料性能影响，进而为产品设计CAE分析提供更真实可靠的数据。

碳纤维复材层合板铺层方式[-45 °/+45 °/0 °/+45 °/-45 °]，试片电泳涂装前后性能数据对比见表3，碳纤维层合板电泳前玻璃化转变温度Tg为108 ℃，固化度为97.25%，电泳涂装环境处理后层合板的玻璃化转变温度Tg为127 ℃(因为碳纤维复材试片表面有电泳漆，在DSC测试过程中会放出热量，致使固化度结果不精确)。这种现象的可能原因是：在电泳涂装过程中，如果忽略残余低分子量物质的挥发和脱湿的影响，层合板则发生后固化和物理老化使Tg升高。正则化按单层厚度0.424 mm进行计算，电泳涂装前后层合板纤维力学性能波动在±15%以内，波动变化较小，在可接受范围内。

将按照碳纤维复合材料铺层方式[-45 °/+45 °/0 °/+45 °/-45 °]进行铺覆，采用湿法模压工艺成型，因为电泳涂装过程中，碳纤维表面覆盖一层不均匀电泳漆，影响红外表面尺寸测试。因此将样件按照各个阶段固化制度进行加热烘烤，观测烘烤后前后尺寸变化(图4)。经分析三位坐标，有局部坐标发生偏差，偏差精度超过±0.5，对装配有一定程度影响(表4)。

表3 电泳涂装前后碳纤维层合板性能数据(ASTM标准)

图2 烘烤前后样件尺寸变化

表4 样件局部坐标偏差

续表

3 结论

在碳纤维复合材料电泳涂装过程中，电泳槽液无明显颜色变化，无明显沉淀产生，电泳试样槽液和浸泡试样槽液的pH值、MEQ值以及电导率指标均在正常范围内，表明槽液可以继续使用。但需要注意，碳纤维导电，碳纤维层合板表面会沉积一层不均匀电泳漆，槽液中固体分含量和灰分值稍微降低。同步电泳或电泳复合材料后的槽液不影响金属钣金漆膜硬度、附着力，粗糙度略有降低，但在可接受范围内。

在碳纤维复合材料电泳涂装过程中，层合板玻璃化转变温度Tg会升高，主要是由于层合板后固化和物理老化导致，层合板力学性能部分会降低，降低范围在15%以内。

在车用碳纤维复材结构件设计CAE分析过程中，建议使用碳纤维复合材料电泳后的数据作为设计输出，重点考虑固化度，碳纤维复材高温过固化会产生低分子分解物质，可能导致树脂粉化影响性能。此外，还会存在产品局部变形的可能性，在设计时需要考虑，以免影响后期装配。