【科普知识】热塑性复合材料在汽车车身结构件上的应用开发

  以某中型车座椅横梁为研究对象，从选材设计、结构设计和工艺设计等方面全面介绍了热塑性复合材料座椅横梁的轻量化设计的具体方案及制造技术；并通过零部件的性能检验测试和减重效果评价，验证了产品符合使用性能与设计的基本要求，可有效替代原钣金结构，并在成本未明显提升的同时实现减重32%，可大大降低整车油耗，对满足国家油耗强制法规提供了有力支持。

  在我国汽车产业快速的提升的同时，能源安全、节能减排慢慢的变成了汽车产业可持续发展所面临的重要问题。国家出台了一系列的政策法规，对汽车的能耗和排放指标均进行了严格的限制，而汽车轻量化正是解决以上问题，满足政策及市场需求的重要手段。

  碳纤维复合材料以其优异的机械性能、抗疲劳性能以及远低于金属的密度条件，成为了汽车轻量化的首选材料。但是，目前90%以上的汽车用碳纤维复合材料均采用热固性树脂体系，这类材料存在回收困难、固化周期长等问题。为此，热塑性碳纤维复合材料就成为解决这一问题的有效手段。

  连续纤维增强热塑性复合材料具备比较好的机械性能，目前多通过模压工艺实现成型，但是，受工艺特性限制，不足以满足一些特殊结构的成型要求。对于这类复杂结构，目前多采用注塑成型的方式，但使用的纤维长度仅3 mm左右，制品的机械性能较差，较难满足车身结构件的使用要求。

  如果将模压工艺与注塑成型的方式结合起来，以连续纤维增强热塑性复合材料为骨架，并通过注塑成型的方式实现复杂结构的成型，则可同时满足汽车零部件对性能和结构的需要，进一步拓展热塑性复合材料在汽车结构件上的应用。

  为此，以某中型车的座椅横梁为研究对象，通过采用模压-注塑混合成型工艺的形式，进行了全流程的设计开发，在降低零部件质量的同时，深入研究了模压-注塑共性关键技术问题，为模压-注塑混合成型工艺在整车上的批量应用积累了宝贵经验。

  该中型车座椅横梁由前座椅前横梁、前座椅后横梁、后座椅横梁等构成，以前座椅后横梁为例，该零部件如图1所示，由横梁本体、左侧加强件和右侧加强件3部分所组成，其尺寸规格为589 mm×140 mm×110 mm。该零部件采用传统钣金结构，将3个独立钣金件焊接在一起，并通过螺接方式与座椅连接，是典型的车身梁类结构件，总体质量为1.85 kg。

  对于模压-注塑混合结构，为了确认和保证模压层与注塑层之间的界面性能，模压区域和注塑区域宜选用相同的树脂体系。而常用热塑性树脂中，POM、PEEK、PEKK等材料流动性差，很难满足注塑成型的过程中的充模要求，且材料成本过高，因此不宜考虑；而流动性较好的PP、PA6、PA66等材料中，综合表1中对不同树脂性能-成本的对比分析，PA6具有更优异的性价比，且性能能够完全满足汽车零部件的应用要求，因此作为首选树脂材料。

  而对于增强纤维，目前常用的主要有碳纤维和玻璃纤维2类。其中，玻璃纤维价格较低、抗拉强度也较高，但拉伸模量相比来说较低；而碳纤维虽然强度和模量都非常高，但价格太高，目前还不足以满足汽车的成本控制要求。

  从表2给出的不同纤维增强复合材料性能对比能够正常的看到，玻纤增强尼龙6材料（PA6）的拉伸强度明显高于原钣金件使用的HC340/590DP钢，但拉伸模量却不足钢材的1/3；在等刚度设计条件下，零部件厚度需增至原钣金厚度的3倍以上，无法有效发挥出复合材料的轻量化效果。如部分使用碳纤维，则可有效弥补玻纤模量不足的缺陷，降低部件厚度，使零部件最大限度实现减重。

  而玻纤增强尼龙6注塑料虽然强度和模量都较低，但可通过结构筋的形式提升零部件的整体刚度，且密度小、成本低，因此能较大程度替换连续纤维增强尼龙材料，实现减重降本的目标。

  因此，在满足刚度条件的情况下，选择玻璃纤维增强尼龙6为零部件材料主体，混杂部分碳纤维增强尼龙6材料改善零部件整体刚度，并通过短玻纤-尼龙6注塑筋进行局部刚度补强，完成了模压-注塑座椅横梁选材方案的制定，如图2所示。

  图2所示的本体区域采用连续纤维增强PA6材料，连续纤维由碳纤维和玻璃纤维共同组成，并在满足性能需求的基础上尽可能多地提高玻璃纤维比例，以降低用材成本；

  图2所示的加强筋区域采用非连续玻纤增强PA6的粒料，纤维体积含量为30%～50%。

  原始的座椅横梁钣金件由横梁本体、左侧加强件和右侧加强件、2个焊接螺母及1个焊接加强板等6个部件组成，各部件之间通过焊接的方式连接在一起。改为模压-注塑复合材料结构后，成功的将原有的6个部件简化为1个零部件，并在注塑过程中将螺母预埋到零部件上。

  从集成设计的具体方案能够正常的看到，横梁的上部为模压结构，起到主要载荷的承载作用，并与周边零部件连接；横梁的下部为注塑筋结构，主要对零部件的扭转刚度进行补强。

  根据座椅横梁受力需求及原钣金件结构，对复合材料座椅横梁进行了变厚度设计。

  从图3能够正常的看到，座椅横梁钣金件的左右两侧，横梁本体与加强件有较大区域的重叠结构，并通过焊接方式构成封闭截面，因此整体结构刚度更高，改为复合材料结构后要增加铺层厚度，以满足性能需求；横梁中间区域仅由横梁本体构成，为单层钢板结构，刚度较低，可以适当减少铺层厚度，降低材料的品质和成本。

  变厚度的设计的具体方案如图4所示，其中左侧和右侧为加厚层，本体壁厚为4.05 mm，共23层；中段为减薄层，本体壁厚为3.55 mm，共21层；注塑区域壁厚为2 mm。

  通过进行结构优化设计，复合材料座椅横梁的总体质量为1.23 kg，与原钣金件的1.82 kg相比，实现减重30%以上。

  替换为复合材料后，座椅横梁无法与地板及周边零部件进行焊接，因此改为胶粘的方式，涂胶区域如图5所示。

  通过胶粘的方式，既能够完全满足零部件的结构连接性能需求，还可以对复合材料与钢材的界面起到隔离作用，降低CFRP与钢接触部分可能会产生的电化学腐蚀风险。同时，胶层还可以与复合材料协同作用，逐步降低震动对乘员舱的影响，降低车内噪音。

  a.根据铺层设计的具体方案，将连续纤维增强PA6预浸料进行铺层，将铺层好的复合材料板材进行预热，待树脂软化后移入模压模具，压制成座椅横梁预成型件；

  b.取出模压预成型件，进行裁边、打孔、预埋等处理，并通过红外加热等形式对预成型件进行二次预热；

  c.在较高温度条件下，将预热后的模压预成型件快速移入注塑模具，进行注塑加筋处理；

  通过二次预热，可有效提升注塑过程中，注塑筋与模压件的界面结合性能。但预热后的模压件移动较为困难，且移动时间过长将会导致表面温度降低，难以达到预期目标，因此就需要通过机械手臂自动完成，以提高工艺的一致性和稳定性。

  通过模压、预热、注塑等工艺，完成了零部件的试制，制得的碳/玻混杂纤维复合材料座椅横梁样件如图8所示。

  按照连接方案将模压-注塑复合材料座椅横梁样件装配到车身上，即可按照试验计划进行性能验证。

  根据座椅横梁在车身结构中的主要贡献，制定了部件-台架-整车级性能验证计划，开展了包含零部件外观检测、零部件尺寸公差检测、零部件力学性能检验测试、台架试验和整车搭载检测等多项测试，具体如下。模压-注塑复合材料座椅横梁力学性能检验测试结果见表3。

  a.表面质量契合设计要求，表面光滑、平整，纤维纹路整齐，无针孔、裂纹、漆点以及砂纸印等明显的外观缺陷；

  b.外形尺寸符合设计的基本要求，通过装车检测和三坐标检测，产品的装配尺寸公差契合设计要求；

  c.对座椅横梁的强度、刚度、安装点性能等各项力学性能进行仔细的检测，其检测的结果如表3所示；

  d.用模压-注塑复合材料座椅横梁替换替换设计车型原有的钣金结构，通过座椅安全台架试验，座椅安装点未发生拔脱现象；e.搭载模压-注塑复合材料座椅横梁进行设计车型的道路试验，在车速为120 km/h时，未出现共振抖动等不良现象。

  与原钣金横梁相比，模压-注塑复合材料座椅横梁的质量及其减重效果如表4所示。

  通过对模压-注塑复合材料座椅横梁的设计开发、试制和验证，掌握了模压-注塑混合成型工艺的选材、结构设计和工艺制造特点，并得出如下结论。

  a.采用模压-注塑混合成型工艺，可成功制造具有复杂加筋结构的复合材料零部件，并同时满足汽车结构件对机械性能的需求；

  b.在模压-注塑混合成型的过程中，模压和注塑部分宜选择相同的树脂体系，并在注塑前对模压预成型件进行预热，以提高模压-注塑界面的结合性能；

  c.通过合理的选材和结构设计，模压-注塑复合材料座椅横梁的力学性能显著优于原钣金结构，可有效改善整车性能；

  d.与原钣金件相比，模压-注塑复合材料座椅横梁的减重率达到32%，减重效果明显；

  e.模压-注塑座椅横梁选用热塑性复合材料体系，易回收，结构性能优异，轻量化效果非常明显，且可通过多材料混合应用的方式降低零部件成本，是碳纤维及其复合材料在汽车领域应用的重要发展趋势之一。

  通过本项目，积累了有效的仿真分析、结构设计及工艺验证经验，并建立了有关标准规范，可有效推进热塑性复合材料体系在汽车产业的应用进程，可更好的满足自主品牌车型、特别是新能源车型的轻量化需求。

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