1前言

近年来，我国汽车工业已经逐渐成为国民经济的支柱产业，而对能源的大量消耗也随之引发，如何减少能源消耗以及降低对环境的污染日益成为汽车行业亟待解决的关键问题。为满足节能降耗的需求，实现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结构进行设计优化，采用更加轻质的材料以及制造工艺的创新等几个方面着手实施。

PHC结构材料凭借质量轻、强度高等特点，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。PHC在欧洲车型中已经得到了广泛的应用，经过近两年的发展，该材料在中国汽车行业的应用也正迅速增长。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材料喷涂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针对汽车外饰产品在强度、刚度性能不变的前提下实现减重的探讨

作为汽车外饰件，尤其是商用车的大型外饰件，其自身应具备良好的强度和刚度，这样可以保证在尽可能设计较少的固定点(较少的固定点可以简化零件装配关系，降低产品成本)的前提下，使零件可以支撑自身重量产生的弯曲变形，同时能够抵御外部的受力载荷，所以，实现汽车轻量化绝对不能以牺牲产品的强度和刚度性能为代价。

首先探讨与产品刚度有关的因素有哪些。在三点弯曲载荷作用下，构件的整体挠度变形主要由弯曲变形和剪切变形构成，整个夹层结构的挠度变形公式为：

其中:D1和D2分别为蜂窝结构的等效弯曲刚度和剪切刚度；P为所受载荷；L为跨距；E为面板弹性模量；J为夹层结构惯性矩；b为夹层结构宽度；tf为夹层结构的面板厚度；h为夹层结构厚度。

由公式可以看出，夹层结构的弯曲刚度与面板的弹性模量成正比，与夹层结构惯性矩成正比，如果将产品的断面看作矩形截面，那么就是与产品厚度的三次方成正比。

实现轻量化要求，直观地说就是要降低单位面积内的重量，实现这个目标有三种方案：

（1）在保证材料不变的前提下，产品厚度减薄(弹性模量不变)；

(2)在产品厚度不变的前提下，选用低密度的材料(常规弹性模量一般会随密度变化)；

(3)选用低密度的材料，同时增加产品厚度(保证厚度的三次方差值要大于平均弹性模量的变化)。

通过上述夹层结构挠度变形公式可以看出:为了保证轻量化后的产品刚度，第一种方案明显不可行；对于第二种方案，对常规非金属材料来说，低密度的材料往往弹性模量也比较低，也不可行；对于第三种方案，如果想实现较低的平均密度，理想的做法是根据产品在受弯载荷下不同区域的弯曲正应力分布情况，选用对应特性的材料。

图1为矩形梁在外部受弯时的截面弯曲正应力分布图，由图可以看出，横截面上任一点的正应力与该点至中性轴的距离成正比。如果将产品等效为矩形梁的受弯情况，可以得知产品在两个表面所受的正应力最大，因此，表皮层可以选用高强度的材料，中间区域由于主要承受剪应力和压缩应力，则可选择压缩强度稍好的中空状或疏松的材料，这样便可以在增加截面厚度的情况下，最大限度地发挥材料的应力特性，同时又尽可能降低了重量，从而在保证产品强度和刚度的前提下实现产品的轻量化目标。

３蜂窝夹芯结构的轻量化方案

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。由于这种轻型结构材料具有最优比强度、比刚度，最大抗疲劳性能，表面平整光滑等特点，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(也可采用塑料蜂窝或铝蜂窝等)，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。

４表皮层的材料选用

根据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特点：

(1)材料具有良好的耐高温性能，可以承受模压时下模高达℃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。

５SMC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,图2所示为该材料的截面图。

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。

图3为该工艺的主要制作流程。

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℃，下模温度设为℃；

(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，s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。

由以上制备工艺所获得的SPHC产品的性能参数见表1。

6实际应用

6.1实例一

车门下装饰板作为重卡商用车最重要的汽车外饰件，尤为要求减重，除可节能减排外，还可以减轻车门铰链的负荷，增加车门关闭的可靠性，同时又因为其被固定在车门上，经常会承受关门时的外力，而此零件仅有与车门内板下面一排固定点，为悬臂式固定结构，所以对产品自身的刚度要求很高。

图4为方案改动说明，该零件原采用双层SMC粘接工艺，由于重量过大，具有装配困难、门铰链易损坏等缺点，最后采用SPHC工艺，完全解决了上述问题，表２为SMC工艺与SPHC工艺门装饰板产品的参数比较。

6.2实例二

乘用车的机舱盖产品常规的工艺材料为双层钣金冲压结构，再将其焊装在一起，但该工艺工装模具成本高、开发周期长、工序多、产品重量大，不适合多品种、小批量、有轻量化要求的新能源车，采用本文提到的工艺可避免上述问题，改动方案见图5。

图5为方案改动说明，该零件原采用双层钣金结构，工艺为分别冲压成型，然后焊接在一起，改用SPHC工艺后，产品总成重量降低3.5kg，占比48％左右，具体参数比较见表3。

6.3实例三

重卡的前围面罩产品如图6所示，目前大多数厂家主要采用SMC工艺，但由于产品尺寸很大，车身坐标方向尺寸一般为：mm-mm-mm(Y-Z-X)，厚度较薄，一般为4且固定点数量有限，一般为4处，位于翻转铰链和锁机构，所以产品的刚度性能很差，尤其是产品在开启后单边受力时，产品经常表现为扭曲变形严重，且左右两侧气弹簧支撑杆受力不均匀。

为了弥补产品的刚度不足，通常在产品背部设计大量的加强筋，但加强筋过高会导致根部过厚，产品表面便容易产生缩印，从而影响表面质量，而且加强筋过高会导致模压成型时材料流动性不好，加强筋顶部缺少玻纤，使其强度不够，在产品开启关闭时经常产生开裂现象。

采用SPHC工艺后，既保证了产品优良的外观，又能充分发挥三明治结构的物理性能特点，保证了产品良好的刚度。

7结果讨论

采用SHPC工艺，可以在保证良好的表面质量和足够的强度刚度的前提下，最大限度地实现车辆的轻量化，该工艺材料可根据需求设计为不同造型，它不止起到装饰的作用，还可作为汽车车身的外覆盖件，其蜂窝芯及聚氨酯发泡材料均为良好的隔音、隔热材料，为车内驾乘环境起到良好的隔音、隔热、降噪等作用，从而为驾驶室带来良好的NVH舒适性。

对于商用货车来说，这种工艺材料可用来开发前围面罩、保险杠、顶导流罩、侧导流板、挡泥板、侧裙板等外观装饰件，而对于商用客车来说，也可以用在行李箱门板、后车门板、发动机罩盖等产品上，相信在不久的将来，此种工艺及材料会得到大面积、大范围的推广、使用和认可。

作者：王永红

来源：《玻璃钢/复合材料》

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