汽车外饰件运用蜂窝夹层复合材料思考

摘 要：近年来，我国汽车工业已经逐渐成为国民经济的支柱产业，能源的大量消耗和所产生的环境污染也引发社会各界关注，如何减少能源消耗以及降低对环境的污染日益成为亟待解决的关键问题。为满足节能减排的需求，汽车轻量化是最直接有效的途径，而实现汽车轻量化的主要途径就是从对零部件的材料选择和对结构设计的优化，采用更加轻质的材料以及先进的制造工艺等几个方面着手实施。

关键词：汽车;外饰件;蜂窝夹层;复合材料

1 复合材料

PHC结构材料凭借质量轻、强度高等优点，可应用于汽车备胎盖板、搁物板、天窗遮阳板和支承板等部件上。该材料在中国汽车行业的应用正迅速增长。PHC为夹层结构，它以芯材为基板，上下复合面层，表面复合装饰层而成。根据产品需要，其表面装饰层可以复合面料、无纺布和PVC革等材料。

面层材料通常采用玻纤或碳纤维毡喷涂PU组合料。芯材可采用蜂窝纸板、波纹纸板、铝板和塑料板等。从产品的成本及质量要求方面综合考虑，目前蜂窝纸板芯材采用的较多;蜂窝纸板强度高、可压缩且运输成本低，一些平面形状的产品（如备胎盖板和搁物板）大多采用蜂窝纸板;波纹纸板易于弯曲，因此一些需要折弯的产品常选用波纹纸板作为芯材。由于PC与PU之间的结合力最好，因此选用塑料芯材时多采用PC材料。PHC产品环保无污染，VOC（挥发性有机化合物）符合环保标准;采用轻质芯材夹层部件“一步成型法”，这种夹层结构部件能在较短的周期内实现经济化的生产;工艺适应性强，其拓展的宽度和深度大，与其他模块组合可以产生新型产品;PHC产品夹层部件重量轻、抗震性好且刚度高，与传统材料同类产品相比，其重量可减轻30%～50%以上。

2 蜂窝夹芯结构的轻量化

依据上述轻量化设计方案可以很容易想到蜂窝夹层结构的复合材料。蜂窝夹层结构是复合材料的一种特殊类型。由于这种轻型结构具有最优比强度和刚度，最大抗疲劳性能，表面平整光滑等优点，已在中国航天领域得到了较为广泛的应用。PHC工艺作为一种典型的蜂窝夹层结构复合材料工艺，被大量应用于汽车领域，作为汽车内饰件使用，其芯材多采用纸蜂窝（也可采用塑料蜂窝），蒙皮（强度层）采用玻纤增强聚氨酯发泡材料，利用聚氨酯高温发泡模压一体成型，具有重量轻、强度和刚度好、尺寸稳定性好等特点。但是，由于PHC工艺的聚氨酯发泡蒙皮表面光洁度不够，在微观状态下呈现为多孔结构，无法实现表面涂装或提供光洁亮丽的表面效果，所以，如果想将PHC工艺应用于汽车外饰件，就必须在外表面再复合一层表皮材料。

3 表皮层的材料选用

根據外饰件的技术性能要求及上述提出的实现轻量化的方案，作为外饰件的表皮层必须具备以下性能特点：（1）外观方面：表面必须具备良好的A级表面质量和一定的抗冲击强度和耐刮擦硬度;（2）物理性能方面：成型收缩率低、热稳定性好、强度和刚度高;（3）化学性能方面：材料要耐腐蚀，分子结构性能稳定。另外，从PHC工艺制作方面，该表皮材料需满足以下要求：（1）材料具有良好的耐高温性能，可以承受模压时下模高达150℃的高温，并将下模的热量传递给与其接触的聚氨酯材料;（2）材料具有良好的表面极性，能实现与聚氨酯材料良好的粘接性能;（3）材料具有良好的热稳定性，在放入模具成型时可以实现与模具良好的匹配，从而保证良好的生产稳定性和一致性;另外良好的热稳定性可以使得表皮材料与基材有非常接近的线性热膨胀系数，从而保证产品在不同的环境温度下不发生扭曲、变形等。从上述要求来看，最适合的材料工艺就是SMC（片状模塑料），即玻纤增强不饱和聚氨酯树脂，它完全具备上述所有特点，但由于其密度较高，为1.8g/cm3～2.0g/cm3，所以要控制其厚度，以控制其在所有材料重量中的占比。

4 SMC与蜂窝夹层结构复合的工艺研究

通过上述的研究讨论，如果将SMC作为产品的表皮，将PHC作为产品的基材，可充分利用SMC良好表面质量特性及尺寸稳定性等特点，以及PHC良好的抗变形能力和轻量化效果。将这二者结合在一起，就可以开发出轻质高强且具备良好表面质量的外饰产品，将此工艺命名为SPHC，在保证强度和刚度的前提下，其重量相比SMC工艺下降50%左右。要想设计开发SPHC工艺的产品，要注意以下设计要点：（1）由于SMC材料密度较高，为控制产品总成的面密度，需尽量降低SMC表皮的平均厚度，将其控制在1.3mm～1.8mm;（2）SMC材料的强度和刚度较好，在局部应力过大的区域可对SMC表皮进行应对性的补强设计，从而增加整个产品总成的强度;（3）由于PHC工艺为中空结构，局部承压能力差，在局部受力较大区域，如固定点的位置，需要将PHC中空结构尽量压薄，以提升局部的强度;（4）针对产品不等厚度的设计要求，要尽量增加厚度变化区域范围，以减小蜂窝芯对表面压力不同产生的印痕。具体的制备工艺如下：（1）SMC制品制备：采用SMC模压工艺制作1.3mm～1.8mm的薄板零件;（2）拉伸成型：使用蜂窝纸拉伸机将折叠在一起的蜂窝芯原材料拉伸成规则形状;（3）辅料包裹：将裁剪好的两层玻纤毡分别包覆在蜂窝芯材的两面，并用订书针将其固定在一起;（4）放置SMC件：将预先成型的SMC薄板零件放在压制成型模的下模，要保证SMC件与成型模良好贴合;（5）放置预埋件：在上模有固定点的位置放置金属预埋加强件或塑料连接件;（6）喷涂前上料：将包裹好的半成品辅料放置在喷涂设备的上料平台;（7）聚氨酯喷涂：由机械手夹持住上料平台上的包覆辅料至喷涂区，由喷涂枪头在辅料两面的玻纤层表面依次按指定路径和速度喷涂固定数量的聚氨酯材料，喷涂完毕后，由机械手将其夹持放入模腔;（8）模压：机械手臂退出压机平台，压机带动模具合模，上模温度设为100℃，下模温度设为120℃;（9）固化：合模后，压机压强达到15MPa，模内聚氨酯在高温下开始固化，150s后完成固化;（10）脱模：保压完成后，靠压机开启上模并回到原位，自动插销锁紧，将产品取出，去废料，砂磨边界等。

参考文献：

[1]乔巧玲.复合材料“U”型蜂窝夹层件制造技术研究[J]. 化工管理， 2018，No.485（14）：82-83.

[2]佚名.浅析蜂窝夹层结构复合材料在舰船中的应用[J].信息记录材料，2018，19（11）：14-16.

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