关键词：碳纤维材料；涂装工艺；基材质量；低温烘烤工艺；打磨灰控制
碳纤维复合材料（CFRP）由作为增强材料的碳纤维和作为基体材料的树脂组成，早期碳纤维材料主要应用于军事领域，随着制造工艺技术及设备的不断发展，CFRP 在一般工业领域的应用也越来越广泛。相比传统材料，CFRP 具有比强度高、比模量高、质量轻、抗疲劳性能好及减振性能优良等诸多优点。复合材料汇聚了2种材料的优势，各组分在性能上起协同作用，具有单一材料无法比拟的优越综合性能。在汽车行业，CFRP 应用于汽车外饰件、汽车结构件等的设计与制造[1]。
对于新能源汽车而言，为了增大续航里程，材料轻量化是一个重要的课题。相关研究表明，新能源汽车质量每减少100 kg，不仅续航里程可提升10%~11%，还可以减少20%的电池成本以及20%的日常损耗成本。随着新能源汽车市场份额不断提高，汽车材料的轻量化也将变得越来越重要。
碳纤维复合材料相比传统金属材料，具有以下优势：
（1）具有很高的强度和弹性模量。它的密度低，高温状态下强度好，在2 200 ℃时强度为1 200~7 000 MPa；具有较高的断裂韧性、抗疲劳性和抗蠕变性；同时拉伸强度和弹性模量也高于一般的碳素材料。纤维取向明显影响材料的强度，在受力时其应力-应变曲线呈现“假塑性效应”。
（2）具有较高的比热容且热膨胀系数小，可以储存大量的热能，同时具备优异的耐热冲击性和耐热摩擦性。
（3）耐热烧蚀性好，可有效阻止热流入材料内部[2]。
本文以极星第1 款新能源跑车（Polestar1）为例，对于整车车身来讲，除底盘使用传统的金属材料外，上车身全部采用碳纤维复合材料，上下车身在车身车间主要通过双组分结构胶进行胶接，辅以铆接的连接方式来完成整车身的制作，碳纤维复合材料在Polestar1 上的使用区域如下：覆盖件，包括引擎盖，翼子板，车门，行李箱盖，车身侧围，尾翼扰流板；结构件，包括车身后底盘特有的“蜻蜓”结构加强件，门边框，前围上横梁，顶盖前横梁，顶盖后横梁。
通过大量采用碳纤维复合材料，整台车质量可减少230 kg，同时提升了45%的车架抗扭刚度，加上整车重心的下降，进一步提高了其操控性及弯道通过性。
Polestar1 的涂装工艺为下底盘和上车身2 个流程。下底盘在沃尔沃成都工厂完成前处理电泳之后，送至极星工厂涂装车间完成密封胶线作业，待在车身车间完成上下车身的组装后形成整车身，再次返回至涂装车间进行整车涂装作业。本文主要介绍整车身的涂装工艺流程。
传统涂装工艺包括前处理电泳、密封胶线、中面涂及抛光点补等作业。对于碳纤维复合材料所制成的外饰面涂装工艺来讲，由于碳纤维复合材料自身具备优异的耐腐蚀性，所以在碳纤维复合材料的涂装过程中，取消了前处理电泳的工艺。但是由于加工过程及模具等因素，碳纤维成品往往会形成缺料、针孔、毛刺等表面缺陷，在进行喷涂工艺之前，需要增加表面预处理工艺。
碳纤维基材在来料时，往往带有以下缺陷：表面不平，树脂富集，树脂缺失，白点，针孔，颗粒等。对后续的喷涂质量影响较大，需要对其进行表面处理。
第1 步为擦拭，采用异丙醇与纯水（体积比1∶1）的混合液，用擦拭布对车身内外表面进行整体擦拭，除去车身表面的油污，擦拭的要点为由内至外、由上至下、由前至后，擦拭动作方向一致，避免来回擦拭，以防止油污残留。
在打磨完成之后，对于基材缺损处使用树脂进行修补，之后进行烘烤，打磨修复直至表面平整。随后整车喷涂底漆，待固化之后检查表面质量状态，如还存有类似颗粒、针孔、表面不平等影响后续外观质量的缺陷，则对缺陷处进行打磨处理，重复喷涂作业直至外观质量符合要求。
对于Polestar1车型来讲，以上工作是在碳纤维供应商处完成，达到来件质量标准之后送至极星汽车厂，到厂后检查出的来件质量问题以驻厂供应商返修为主。
待白车身运转到涂装车间之后，首先进行整车打磨，主要的工艺步骤包括擦拭，检查，打磨，除尘。打磨工艺的目的是去除来件表面的颗粒、划痕、毛刺等，同时增加底漆与中涂之间的附着力。
第4步为除尘，在打磨完成之后，要对遗留的打磨灰进行最大限度的清理，以增加底漆与中涂之间的附着力。除了采用带有真空集灰设备的Festool 打磨机及时处理打磨过程中产生的打磨灰，在打磨完成后，需要增加吹灰、真空吸尘器吸灰及湿抹布擦拭除灰工艺；尤其是在内腔残留的打磨灰如未能得到有效的清理，在后续喷涂过程中，很容易形成质量缺陷。
第2步为检查，擦拭完成后，佩戴手套，对车身整体质量进行检查，检查的步骤方法与擦拭一致，尤其要注意尖角处，部件交界处的涂装缺陷。
第3步为打磨，步骤方法与擦拭一致，对于平面的打磨采用打磨机完成，凹凸面及部件边缘的打磨采用手工打磨完成，打磨过程中采用画圆的打磨手法。打磨时应谨慎对待造型线附近区域的打磨，不要破坏现有的车身造型线，如，腰线、引擎盖造型线等。
表面处理的具体工艺为：采用砂纸对表面进行打磨，主要目的是去除表面残留的脱模剂，对表面进行粗化以增强涂料的附着力，更大限度地暴露覆盖在树脂表面的针孔。
中涂工艺与传统喷漆工艺一致，在对喷漆表面进行擦拭除尘之后进行喷漆作业。由于Polestar1上车身为碳纤维复合材料，烘烤温度过高有破坏零件强度的风险，如，出现分层、零件变形等缺陷，长时间烘烤温度建议为80 ℃，短时间烘烤可采用100 ℃。
为了配合碳纤维复合材料对低温烘烤的需求，Polestar1车型上使用的中涂为BASF提供的低温烘烤水性双组分涂料，中涂膜厚下限为30 μm且不能出现流挂，中涂涂装完成后，流平10 min，送至中涂烘炉中在80 ℃烘烤60 min，完成中涂工艺。
中涂后，车身再次转运至打磨间进行整车身打磨，打磨流程与基材打磨一致。此次打磨采用更为细腻的打磨纸，现场使用的是800#打磨纸。主要目的是处理中涂涂层的缺陷，增加中涂与色漆层之间的附着力。
在中涂打磨过程中，要注意检查是否有针孔，发现针孔需要用单组分修补漆进行修复。另外，为了减少打磨灰对面漆喷涂（亚光清漆）的影响，在完成中涂打磨之后，采用塑料薄膜对车身底盘，门内板进行遮蔽，如图1所示。总之，要尽可能去除打磨灰，避免打磨灰对面漆喷涂造成缺陷。
图1 车身内表遮蔽
Fig.1 Cover of the insider car
面漆工艺包括色漆和罩光清漆。车身在洁净间完成包括静电除尘、溶剂擦拭、粘尘等一系列准备工作之后，首先进行色漆层的涂装，Polestar1 车身采用的色漆为水性色漆，除珠光白颜色的白底为双组分涂料外，其余颜色均为单组分涂料。色漆喷涂完成后送至闪干炉进行闪干，工艺条件为70 ℃、6 min。待车身冷却降温后，涂装罩光清漆，Polestar1 车身采用的清漆为溶剂型双组分低温清漆，共有高光清漆和亚光清漆2 种类型，烘干条件为80 ℃、60 min。高光清漆的喷涂与传统喷涂一致，对亚光清漆的喷涂而言，有很多注意事项。
完成面漆工艺之后，在抛光室对表面质量先进行全面检查，对于类似清漆颗粒、流挂、橘皮、失光等可以进行打磨抛光处理，消除漆膜表面的细小缺陷，增加漆膜的光泽与平滑度，其他无法精修处理的需要送至点补间进行处理，完成涂装工艺。
传统的金属车身在涂装完成之后，常见的缺陷为颗粒、纤维、缩孔、流挂、漆雾、失光等。在碳纤维涂装完成之后，也存在同样的缺陷，处理的方法也与传统处理方式一致。除此之外，碳纤维复合材料在此次Polestar1车型的涂装中还遇到以下缺陷。
在Polestar1的车身涂装调试过程初期，中涂气泡始终存在，如图2所示。
图2 中涂气泡
Fig.2 Bubbles of inter-coat
中涂气泡主要集中在板材边缘（如，门边尖角处），部件交界处（如，翼子板与前门板交界处），车身凹面区域（如，门槛区域），偶尔也出现在板材的非边缘部位，通过对多次调试气泡的数据分析，结合碳纤维来料基材的比对分析，采取了以下措施解决了中涂气泡的问题。
（1）优化中涂膜厚，使膜厚适当偏下限；（2）优化喷涂轨迹，避免涂料在板材边缘和部件交界处等的聚集；（3）增加对碳纤维来料的监测，对于来件出现的针孔及时进行腻子胶修补并刮平。
漆面开裂一般源于基材开裂。虽然有来件质量检测和第三方驻厂支持解决碳纤维来件质量缺陷问题，但在喷涂完成之后，还会遇到此类问题，结合碳纤维厂家以及第三方的经验，本文总结了以下适用于涂装现场的修补方法。
（1）打开开裂区域，检查开裂区域是否存在气孔并将气孔的涂层一并去除；（2）使用压缩空气进行吹扫，清洁缺陷区域；（3）填充双组分环氧粘接剂，固化20 min；（4）采用双组分腻子胶对缺陷区域进行充分填充，使用刮刀进行刮平处理，使用红外烤灯在60 ℃烘烤60 min；（5）打磨该区域至光滑无颗粒，如有必要继续重复上一步骤直到该区域表面平整光滑，无凸起或者凹坑；（6）喷涂双组分底涂，在60 ℃烘烤15 min，再采用400#砂纸将表面打磨平整；（7）正常喷涂中涂及面漆。
门槛气泡是在总装完成线之后发现的，且随着时间的推移，气泡有增多变大的趋势，连续观察数量车之后，发现气泡主要集中在门槛区域，如图3所示。
通过对钢板和碳纤维复合材料同时涂装之后的水煮实验发现，导致该问题的原因与碳纤基材相关，之后通过切片SEM 分析，发现气泡的形成主要是在来料的底涂涂层之间，初步判断供应商的碳纤维基材处理工艺及底涂工艺存在问题。
经过与供应商及研发部门在供应商现场的工艺摸排，最终给出了如下解决方案：（1）将碳纤维来料表面材料的密度由200 g/m2提高到300 g/m2；（2）优化底涂工艺，提高底涂喷涂雾化及流平时间。
图3 门槛气泡
Fig.3 Bubbles in rocker panel
碳纤维复合材料以其独特的优势被广泛应用于汽车工业，是汽车新材料的发展趋势[3]。但由于目前碳纤维材料成本较高，在量产车型上大规模的使用，在国内涂装的实际应用中还比较少见。通过对生产工艺及生产过程的跟踪分析，发现碳纤维复合材料在涂装过程中需要注意打磨工艺，涂料低温烘烤工艺，尤其是要注意碳纤维来料基材质量的检查，这些都对最终的表面质量具有重要影响。
参考文献
[1]朱俊. 车用复合材料新技术及在汽车上的应用[J]. 汽车工程师，2009（3）：49-52.
[2]王帅. 碳纤维复合材料在汽车上的应用和发展[J]. 汽车实用技术，2017（15）：170-172.
[3]竺铝涛. 汽车用碳纤维复合材料的发展历程及应用[J].工艺材料，2013（11）：52-55.
来源：期刊-《涂装工业》；作者：刘 恩，刘晓旭，尤华伟
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