碳纤维是一种含碳量在85以上，由有机纤维通过固相热解而制成的具有石墨微晶结构的新型纤维材料^[1]。碳纤维增强复合材料具有比强度高、低密度、耐摩擦、抗疲劳、耐高温、耐腐蚀等特点，既有碳材料的结构特点，又具有纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料重要的增强材料，已在军事及民用工业领域得到了广泛应用^{[2] [3]}。目前轨道交通车辆运行的轻量化要求越来越高，碳纤维材料已其优越的性能正越来越多的应用在轨道交通车辆上。

涂装是产品的表面制造工艺中一个重要的环节，起到了防锈、防腐的作用，同时又是产品外观质量的重要组成部分，是构成产品价值的重要因素，因此涂装工艺需要经过严格的设计验证^[4]。碳纤维材料作为一种新型的材料，其表面涂装工艺和一般的金属材料不同，本文就轨道交通车辆用碳纤维复合材料表面涂装工艺进行研究。

1    涂装工艺研究

1.1   涂料的选择    

碳纤维材料表面光滑、惰性大、表面能低，缺乏有化学活性的官能团，表面呈现化学惰性，与树脂基体浸润性差，这使复合材料界面粘合性能差^[2]。本文所选用的碳纤维材料为环氧基碳纤维增强复合材料，主要应用在轨道交通车辆车体外表面。综合考虑轨道交通车辆的运行环境及碳纤维材料的表面特性，材料表面复合涂层选用“双组份聚氨酯底漆+不饱和弹性聚酯腻子+双组分聚氨酯中涂漆+双组分聚氨酯底色漆+双组分聚氨酯清漆”。

1.1.1  底漆

底漆一般要求与基体有良好的附着力，其黏度要求较低，以保证对基体良好的浸润性，且溶剂不应挥发太快，以便充分渗透进基体的间隙^[4]。为研究碳纤维材料适用的底漆，选用3种不同的底漆做样板实验，包括：铝合金材料常用的双组份环氧底漆、高分子复合材料常用的丙烯酸底漆以及为碳纤维复合材料开发的双组份聚氨酯底漆，底漆干燥后结果如表1所示。

由表1可见，传统的双组份环氧底漆及丙烯酸漆在碳纤维材料达不到预期的使用效果，因而选用双组份聚氨酯底漆，其具有良好的机械强度、防锈性能、耐腐蚀性、耐水性及抗化学试剂性。

表1 不同底漆实验结果

1.1.2  腻子

腻子是由树脂、颜料和溶剂三者混合而成的有色膏状物，用来填平表面的细孔、凹凸不平等缺陷，使涂层光滑平整。但一般腻子本身不能提高涂层的保护性能，若使用不当，还会造成涂层的机械性能、防腐性能下降，因此尽量减少腻子的使用量^[4]。

由于车辆高速运行过程中车体震动会导致腻子层脱落，选用柔韧性能较好的不饱和弹性聚酯腻子。腻子的厚度不易过厚，要求厚度≤1mm。对局部厚度超过1mm的进行了小样板试验，经过第三方检测，材料局部的腻子层厚度低于6mm，其附着力、耐水和耐高温性能都满足要求。

1.1.3   中涂

中涂漆的主要是起到承上启下的作用，填平腻子打磨后的表面缺陷，遮盖底漆及腻子的颜色并阻止面漆溶剂对底漆和腻子的浸渍，提高层间的附着力。要求具有良好的附着力、填充性、打磨性及机械性能。综合考虑，选用双组份聚氨酯中涂漆。

1.1.4   面漆和清漆

面漆主要对底涂层及自身起到保护作用，同时还起到装饰作用。面漆涂装工艺一般分为单一涂层及双涂层的方法。材料表面选用金属漆，采用“双组分聚氨酯底色漆+双组分聚氨酯清漆”的双涂层结构。为保证外部油漆良好的装饰性，要求底色漆具有良好的遮盖力和涂覆能力，双组分聚氨酯清漆光泽度大于80%（60°），清漆表面光亮光滑，同时在聚氨酯清漆中含有抗紫外线助剂，其抗老化力强。

1.2   涂装工艺

1.2.1  涂装车间

涂装在专门的涂装车间进行，车间具有温湿度控制设备。喷涂使用流水线，含有三个喷漆室及三个烘干室。

1.2.2  表面前处理

表面前处理的主要目的是去除材料表面的所有污染物，提高材料表面清洁度和粗糙度，增强材料表面与油漆的附着力。

碳纤维材料在制造的过程中表面需经过氧化或者酸处理之后形成带有化学活性的基团，促进与树脂的粘合性。碳纤维材料表面光滑、惰性大、表面能低，传统的酸洗磷化后碳纤维表面得不到良好的磷化膜，表面处理效果差。同时碳纤维材料表面具有坑洼及条纹状等缺陷。因此碳纤维材料的表面前处理主要采用清洗后物理打磨的形式，样板进行风动打磨，小件内腔进行手工磨片打磨，采用不同型号的磨片进行表面打磨。碳纤维样板实验采用80#、120#磨片打磨表面具有砂痕，对母材造成损伤。随着型号的增大，表面粗糙度降低。采用180#此型号磨片打磨后母材表面粗糙度良好。

材料表面打磨完成后首先使用高压风对材料正反面吹风除尘，然后稀料擦拭、揩干的处理方式，打磨后表面平整光滑，但局部仍有小坑及小空隙存在。

1.2.3  底漆喷涂

样板实验确定底漆厚度及烘干温度，发现当底漆厚度低于50μm时，由于碳纤维材料表面局部存在缺陷，底漆烘干后，表面出现针孔现象，考虑到生产成本，确定底漆干膜厚度为50μm~70μm。确定烘干时间为2h，由表2可见，烘干温度较低时，漆膜未完全干燥，而温度较高时，由于碳纤维复合材料的热膨胀系数较大，材料容易受热变形，导致漆膜鼓泡。因此底漆的烘干温度为60℃。

表2 不同温度时底漆烘干效果

底漆采用手工空气喷枪喷涂，喷嘴直径为Φ1.5mm~Φ2.0mm。环氧底漆采用湿碰湿的喷涂工艺分2次喷涂，分别在喷漆室1、喷漆室2进行。喷涂过程中喷枪与被喷面垂直，距离喷涂面300mm~400mm，匀速移动，保持平行；每枪与上一枪有1/3~1/2的搭接，往复喷幅控制在0.8m~1.0m。

底漆喷涂完成后通过链条进入流平室和烘干室进行底漆的干燥，干燥温度60℃，干燥时间为2h。烘干完成后下件冷却。

喷涂完成后对于漆膜缺陷的地方采用油漆刷、美工笔找补。对于橘皮、鼓泡、流坠等缺陷地方清除表面油污后，用砂纸等工具将缺陷部位打磨平整，消除缺陷，并清除干净粉尘等杂物，然后对小面积用刷涂、大面积用喷枪喷涂的方式在缺陷部位表面补涂底漆。

底漆干燥后进行划格实验，底漆附着力为0级，漆膜厚度为61μm。

底漆干燥后，用180#磨片打磨底漆外表面，并除净粉尘。

1.2.4  腻子刮涂

由于碳纤维材质的特点，打磨后仍存在小坑等缺陷，表面喷涂底漆后局部仍存在针孔、砂痕，适当增加腻子厚度，加强挤腻及找补。

腻子刮涂两遍，每遍厚度不超过0.5mm，使工件表面平整无缺陷。温度20℃下两遍腻子重涂时间间隔3h。腻子在20℃下干燥4h，干燥后使用120#磨片打磨全面腻子表面，按照从上部到下部的顺序进行。

打磨完成后使用稠度为14~16的细腻子对材料外表面挤腻，将腻子层打磨后的裂纹、针孔、划痕等区域填满，对缺陷部位进行找补处理，完成后在20℃下干燥4h。腻子层干燥后使用180#磨片干磨腻子表面，并使用高压风去除粉尘。

1.2.5  中涂

采用人工使用空气喷枪进行喷涂，喷嘴口径：Φ1.5mm~Φ2.0mm，“湿喷湿”喷涂2遍，漆膜厚度控制在30～50μm，操作方法参见底漆。干燥后进行打磨处理。

1.2.6   面漆和清漆

用压缩风和擦布除净表面粉尘，使用稀释剂擦洗表面。

面漆采用人工使用空气喷枪喷涂，喷嘴口径：Φ1.5mm~Φ1.8mm。喷涂按照从上部到下的顺序进行，湿碰湿喷涂两遍，操作方法参见底漆。干膜厚度：30~50µm。

采用清漆与面漆湿碰湿喷涂施工。面漆施工完成后先将产品在不低于18℃温度下通风、静置（15~30）min，使面漆层流平，然后采用空气喷枪进行清漆喷涂，喷嘴口径Φ（1.0~1.5）mm，清漆湿碰湿喷涂两遍，分别在喷漆室2、喷漆室3进行。清漆干膜厚度30~50µm。

干燥后产品表面光滑平整，无漏涂、橘皮、针孔、鼓泡、流坠等缺陷，漆膜附着力为0级，满足产品要求。

2  结语

由于碳纤维增强复合材料的结构特点，其涂装工艺较铝合金材质有所区别。前处理采用机械打磨形式，适当增加底漆厚度及腻子厚度，保证材料表面的平整度。采用合适的烘干温度，减少碳纤维材料的变形率。经过验证，产品质量满足使用要求。

详情见《现代涂料与涂装》2017年第6期