摘要：採用碳纖維布、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)泡沫和阻燃環氧樹脂， 經真空輔助成型工藝製備了碳纖維泡沫夾芯複合材料。 利用碳纖維泡沫夾芯複合材料代替原有的金屬材料， 採用真空導入工藝製作汽車副車架， 為考慮承重及安裝方便， 設計了邊梁、主樑和橫樑的製作及搭接工藝。 結果表明， 採用此工藝大大減輕了汽車副車架的品質， 整個副車架的總重僅為116kg。
纖維增強複合材料是纖維與樹脂經過一定的成型工藝形成複合材料。 增強纖維主要有碳纖維、玻璃纖維、芳綸等， 樹脂基體有熱塑性樹脂和熱固性樹脂。 大多數金屬材料的疲勞極限是其拉伸強度的40%～50%， 碳纖維增強樹脂基複合材料的疲勞極限則可達其拉伸強度的70%～80%。 此外， 碳纖維增強樹脂基複合材料還具有減振性好、破損安全性好及可設計性強等特點， 因此在航空航太、交通運輸及體育器材中應用越來越廣泛。
纖維增強泡沫夾層複合材料是由上下面板及中間夾芯三層材料製成的複合材料， 它的上下面層是高強度、高模量纖維材料， 中間是強度較低的輕質夾芯層。
筆者採用碳纖維布及聚對苯二甲酸乙二酯(PET)泡沫材料， 通過真空灌注工藝製備了泡沫夾層複合材料， 製備的泡沫夾層複合材料再在模具的輔助下製備了汽車副車架， 其中主樑2根， 橫樑5根，
1、實驗部分
1．1主要原材料碳纖維布：T–700， 面密度為200g／m2， 日本東麗株式會社；PET泡沫：密度為60kg／m3， 思里安複合材料(中國)有限公司；聚氯乙烯(PVC)泡沫：密度為45kg／m3， 思里安複合材料(中國)有限公司；阻燃環氧樹脂：GT807， 惠利(廣州)電子材料有限公司。
1．2主要設備及儀器真空泵：東莞市博大真空設備有限公司；模具：自製；真空導入系統， 自製。
1．3複合材料製備工藝先將模具清理並打脫模劑， 其次將碳纖維布按一定角度鋪覆於PET泡沫上， 其主要鋪層角度為[0／45°／90°／–45°]， 鋪層共鋪設6次， 共24層。 然後對密封體系抽真空， 當真空度達到–98Pa時， 保壓0.5h之後注入環氧樹脂， 注膠完成後保壓固化， 最後脫模制得副車架。 其工藝流程如下：模具處理→纖維鋪層→密封→抽真空→檢漏保壓→混膠注膠→固化脫模→後處理修邊。
1．4加工工藝的調整
(1)固化溫度。環氧樹脂在固化過程中，樹脂分子在固化劑或促進劑的作用下經歷了分子鏈的線性增長、支化和交聯等過程，最終形成三維網路結構。樹脂的交聯度和固化效果直接決定著複合材料的性能。固化溫度對樹脂的固化過程有著直接的影響。如果固化溫度低則可能造成固化不完全，固化速率慢；如果固化溫度太高則造成產生較大的收縮內應力，或引起暴聚，產生黃變及氣泡。副車架所用環氧樹脂體系經實驗獲得最佳固化溫度為30℃。
(2)成型壓力。真空灌注工藝的過程決定了成型過程中最大壓力為1個大氣壓，通常成型壓力越大可以獲得越高纖維含量的複合材料。在1個大氣壓下可以獲得約65%體積分數的纖維含量，已經屬於較理想的纖維含量。
(3)鋪層工藝。鋪層過程中採用對稱鋪層的原則，每次共鋪設4層，按[0／45°／90°／–45°]進行鋪設，保證鋪層角度的對稱性。鋪層共鋪設6次，共24層。如果鋪層過程不對稱則可能產生收縮不均勻，從而在最終結構中產生內應力，造成製件脫模後翹曲。
2、副車架製作工藝
2．1邊梁製作採用兩個L型模具拼合，組成一個U型模具來製作邊梁，由於L型模具製作的不標準，導致邊梁兩邊距離不等距。另外邊梁製作過程中漏氣較嚴重，主要由於拼合模具的粘接問題。為了解決這一問題，必須加大粘接劑用量並結合密封膠才能保證拼合模具緊密結合、不漏氣。單根邊梁的品質為8.2kg。
2．2橫樑製作橫樑製作主要問題在於裙邊在抽真空過程中有局部地方凹陷或凸起影響安裝，這種情況主要是由於橫樑與裙邊接觸位置不貼合。解決此問題需要將泡沫在此裙邊位置保持直角，這樣裙邊纖維就會與梁本體纖維貼合。其鋪層方案同邊梁，不同的是其裙邊採用45kg／m3的PVC泡沫作為支承，單根橫樑最終品質為6.4kg。
2．3主樑製作主樑是整個副車架主要承力部件，其製作至關重要。主樑由於長度過長，線度不夠，需要模具給一支承，保證其線度。副車架主樑與主車架連接時是通過螺栓將副車架主樑固定在主車架上的；但是由於複合材料不能夠直接攻絲固定螺栓，因此在主樑對應位置內部作了金屬預埋件。金屬預埋件的放入方法就是在內部結構泡沫處預留出金屬預埋件的空間，鋪層過程中直接用碳纖維將其包覆。主樑製作過程容易出現的問題是由於固化時間不夠，固化不完全，在脫模過程中稍有不當便會導致梁翹曲。主樑製作與橫樑鋪層方案相同，單根主樑品質為22.5kg。整個副車架9根梁加上金屬件的總品質為116kg。
3、車架連接設計
3．1中間橫樑與邊梁連接
中間橫樑與邊梁連接：將中間梁與邊梁兩端伸出的裙邊部分加厚，然後通過螺栓連接，具體連接方式如圖1所示。
圖1中間橫樑與邊梁連接方式
3．2中間橫樑與兩主樑連接中間橫樑與兩根主樑的連接：將兩根梁接觸部分分別伸出裙邊，再通過螺栓連接，具體連接方式如圖2所示。
圖2中間橫樑與兩主樑連接
3．3副車架與主車架連接
副車架與主車架的連接：副車架與主車架連接與原有連接方式相同，通過金屬膠粘及螺栓將連接件固定於主樑上，連接件通過螺栓與主車架相連，如圖3所示。
圖3副車架與主車架連接方式
4、結論
採用碳纖維布、PET泡沫和阻燃環氧樹脂，經真空輔助成型工藝製備了碳纖維泡沫夾芯複合材料。利用碳纖維泡沫夾芯複合材料代替原有的金屬材料，採用真空導入工藝製作汽車副車架。此方法能成功應用於多個汽車輕量化專案中，大大減少了整車製造的品質和成本，具有明顯的經濟效益和社會效益。
作者：任昌義
1．4加工工藝的調整
(1)固化溫度。環氧樹脂在固化過程中，樹脂分子在固化劑或促進劑的作用下經歷了分子鏈的線性增長、支化和交聯等過程，最終形成三維網路結構。樹脂的交聯度和固化效果直接決定著複合材料的性能。固化溫度對樹脂的固化過程有著直接的影響。如果固化溫度低則可能造成固化不完全，固化速率慢；如果固化溫度太高則造成產生較大的收縮內應力，或引起暴聚，產生黃變及氣泡。副車架所用環氧樹脂體系經實驗獲得最佳固化溫度為30℃。
(2)成型壓力。真空灌注工藝的過程決定了成型過程中最大壓力為1個大氣壓，通常成型壓力越大可以獲得越高纖維含量的複合材料。在1個大氣壓下可以獲得約65%體積分數的纖維含量，已經屬於較理想的纖維含量。
(3)鋪層工藝。鋪層過程中採用對稱鋪層的原則，每次共鋪設4層，按[0／45°／90°／–45°]進行鋪設，保證鋪層角度的對稱性。鋪層共鋪設6次，共24層。如果鋪層過程不對稱則可能產生收縮不均勻，從而在最終結構中產生內應力，造成製件脫模後翹曲。
2、副車架製作工藝
2．1邊梁製作採用兩個L型模具拼合，組成一個U型模具來製作邊梁，由於L型模具製作的不標準，導致邊梁兩邊距離不等距。另外邊梁製作過程中漏氣較嚴重，主要由於拼合模具的粘接問題。為了解決這一問題，必須加大粘接劑用量並結合密封膠才能保證拼合模具緊密結合、不漏氣。單根邊梁的品質為8.2kg。
2．2橫樑製作橫樑製作主要問題在於裙邊在抽真空過程中有局部地方凹陷或凸起影響安裝，這種情況主要是由於橫樑與裙邊接觸位置不貼合。解決此問題需要將泡沫在此裙邊位置保持直角，這樣裙邊纖維就會與梁本體纖維貼合。其鋪層方案同邊梁，不同的是其裙邊採用45kg／m3的PVC泡沫作為支承，單根橫樑最終品質為6.4kg。
2．3主樑製作主樑是整個副車架主要承力部件，其製作至關重要。主樑由於長度過長，線度不夠，需要模具給一支承，保證其線度。副車架主樑與主車架連接時是通過螺栓將副車架主樑固定在主車架上的；但是由於複合材料不能夠直接攻絲固定螺栓，因此在主樑對應位置內部作了金屬預埋件。金屬預埋件的放入方法就是在內部結構泡沫處預留出金屬預埋件的空間，鋪層過程中直接用碳纖維將其包覆。主樑製作過程容易出現的問題是由於固化時間不夠，固化不完全，在脫模過程中稍有不當便會導致梁翹曲。主樑製作與橫樑鋪層方案相同，單根主樑品質為22.5kg。整個副車架9根梁加上金屬件的總品質為116kg。
3、車架連接設計
3．1中間橫樑與邊梁連接
中間橫樑與邊梁連接：將中間梁與邊梁兩端伸出的裙邊部分加厚，然後通過螺栓連接，具體連接方式如圖1所示。
圖1中間橫樑與邊梁連接方式
3．2中間橫樑與兩主樑連接中間橫樑與兩根主樑的連接：將兩根梁接觸部分分別伸出裙邊，再通過螺栓連接，具體連接方式如圖2所示。
圖2中間橫樑與兩主樑連接
3．3副車架與主車架連接
副車架與主車架的連接：副車架與主車架連接與原有連接方式相同，通過金屬膠粘及螺栓將連接件固定於主樑上，連接件通過螺栓與主車架相連，如圖3所示。
圖3副車架與主車架連接方式
4、結論
採用碳纖維布、PET泡沫和阻燃環氧樹脂，經真空輔助成型工藝製備了碳纖維泡沫夾芯複合材料。利用碳纖維泡沫夾芯複合材料代替原有的金屬材料，採用真空導入工藝製作汽車副車架。此方法能成功應用於多個汽車輕量化專案中，大大減少了整車製造的品質和成本，具有明顯的經濟效益和社會效益。
作者：任昌義