车身结构中的复合材料增强应用

虽复合材料在汽车白车身（BIW）结构有所渗透，但该车辆区域材料应用长期由钢主导，近年铝增多。因此车企高度依赖焊接和螺栓螺钉等机械紧固件连接金属结构。虽普遍稳健，焊缝和紧固件仍可能失效。它们也难提升刚度（不显增重）、或缓解噪声/振动/声振粗糙度（NVH）或阻隔车辆传递的碰撞能量。应对挑战之一是用复合材料配合结构胶增强BIW接头和腔体。

此类解决方案称为复合车身解决方案（CBS）。含用于增强主要车辆结构的3D结构嵌件，结合BIW或其他车辆子结构元素、热塑性载体（连续或不连续纤维增强）和热激活发泡结构胶。CBS元件在车身车间早期安装，电泳防锈涂层（E-coat）前。

CBS组件典型采用2K/注射包覆工艺生产，载体——含焊接耳片或卡扣暂时连接CBS至金属BIW组件——选择性包覆发泡胶，可能加密封胶（3K工艺）增强功能。干触感未固化胶（基于定制环氧化学）可模塑复杂形状，却在E-coat后烘箱固化热致发胀前保持复合与金属表面间隙，允许E-coat覆盖金属元素。随发泡膨胀，载体与周围组件间隙封闭，锁合成箱式"宏观结构"，改善力学性能，尤高动态载荷下。

早期车辆设计引入CBS模块，为提升局部和整体BIW刚度、改善乘员安全舒适并降重的质量和成本高效方案。也实现对比更重全金属方案的中性或更低成本。最初仅用于汽车，载体和胶材料组合不断拓宽CBS用途，亮点如下。

为性能挑战而工程化

CBS技术由L&L Products Inc.（美国密歇根罗密欧）开发商业化。作为汽车密封剂、声学对策和增强件供应商悠久历史，L&L开发技术助客户增强乘员安全、满足更严苛汽车碰撞要求，同时降低成本重量、改善车辆制造装配工艺。

1995-2004年，CORE Products（L&L与Gurit Essex（瑞士瓦特维尔）合资）负责CBS早期应用开发和制造。L&L最终收购CORE所有资产，现运营为L&L Products Europe。

L&L初期开发及后续CBS技术扩展中紧密合作材料供应商。兰世立（Lanxess AG，德国科隆）长期向L&L欧洲提供复合载体材料、材料表征和仿真支持。

CBS应用实例

除上述优势，CBS技术提供更好载荷路径过渡、多轴载荷管理和能量吸收；更大截面稳定性（抗塌陷/入侵）；降低NVH；增强高载荷下驾驶动态和碰撞性能。此外，车辆设计/重新设计中实施时效更快，车身车间无需装配序列变更。因CBS技术使控制车身结构能量传递更易，同时最小化变形/入侵，理想适配抗正面/侧面/后碰撞或车顶压溃以更好保护乘员、乘员舱和电池的应用。也适用于须通过IIHS（美国阿灵顿）小重叠碰撞测试等挑战性协议的结构。

"CBS技术设计通用性有助简化复杂或难进入区域装配，"L&L Products Reinforce结构产品工程经理Núria Ignés（L&L Products EMEA，法国阿尔托夫）解释。"例如，早期设计引入CBS技术于车门等闭合件，不只减重增刚，还能简化车门制造。得益CAE工具和数十年经验，加上载体与发泡胶结合提供固化后对BIW稳健连接，我们能在正确位置用适量适当材料，平衡刚度与质量成本，或能量吸收与声学成本。"

"CBS技术真有趣层面是其'仿生'本质，"L&L全球战略营销经理Peter Cate补充。"正如骨骼中心细胞增强支柱是自然为中空结构添加刚度和管理载荷的最质量高效方法，胶发泡后CBS单元以相同方式增强车身腔体，助工程师在最低质量优化结构刚度。"

"通过提升局部和整体刚度、更有效跨结构分布载荷，CBS增强件是量身定制解决方案，解决局部刚度和金属疲劳问题而不增重，"Lanxess Corp.（美国宾州匹兹堡）Tepex汽车业务发展经理Pal Swaminathan继续。"集成CBS技术到车身结构常见NVH改善。再次，精心工程分析允许开发和位置优化方案，平衡乘坐操控特性。"

早期应用

CBS技术早期汽车应用在当时PSA集团2006款雪铁龙C4 Picasso轿车，涉九单元增强A/B柱和后横梁。增强元件减重12公斤同时提升乘员安全。黑色为兰世立复合材料，红为L&L环氧发泡胶，银为连接CBS元件的金属车身结构部分。

L&L首个CBS商业汽车应用1998年；2002年技术获市场认可。优秀早期案例在PSA集团（法国巴黎——现Stellantis N.V.，荷兰阿姆斯特丹）2006款雪铁龙C4 Picasso轿车实施。九CBS组件——A柱下段、B柱上下段、后轴上方横梁——较金属方案减重12公斤。部分CBS嵌件选择性增强承载力、最小化碰撞时乘员舱入侵，提升乘员安全。其他改善BIW NVH性能。所有载体注塑自35 wt-%短玻/聚酰胺6（PA6）。类似CBS单元用于福特Transit厢式车（美国密歇根迪尔伯恩福特汽车）。

新载体、发泡胶选项

多年L&L及供应商拓展CBS技术，新发泡胶配方、更宽载体树脂增强范围、应用概念于不同结构。

例如，多数CBS碰撞应用载体用热稳定30 wt-%玻增强PA6，因复杂3D形状需刚度延性平衡。两此类载体用于主要电动车（EV）平台前纵梁，据报不只简化装配（减少零件数）还减少20%防火墙碰撞入侵。

更高冲击需求现有混合载体，如2019款保时捷911 Carrera Cabriolet跑车（德国斯图加特保时捷AG）A柱增强。敞篷车，加强无顶车架对翻车保护乘客至关重要。为保持车辆轻盈灵活，保时捷用CBS嵌件替代重型管状钢防滚架。柱壳高强钢制，经CBS嵌件内部稳定增刚。主载体主体压缩模塑有机板（47 vol-%斜纹玻纤织物/PA6），预热、预成型，再注射包覆肋条（30 wt-%短玻/PA6/6）。有机板侧承载L&L L-5235发泡胶。此混合技术不只达所有性能重量目标（管状钢方案据报未达），还减重5.4公斤，简化装配、降低重心、改善驾驶动态。

无烘箱工艺激活发泡胶、或漆房需额外支撑应用，L&L称正研发其他常温固化方案。

基于CBS开发出多项相关技术。即将首次商业应用，L&L连续复合系统（CCS）结合玻/碳纤维增强挤拉载体——如聚氨酯（PUR）含/不含织物及粗纱——与定制密封胶或结构胶。CCS元件也可含CBS部件和金属组件，以典型较钢减75%、较铝减30%质量提升恒定截面结构刚度强度。耐腐蚀、非导电/电绝缘、低线性热膨胀系数（CLTE）、高可预测能量管理，理想增强一体式车辆结构件或非承载车身车架段、及电动车电池框架。

复合面板增强件含自粘发泡结构胶与玻纤增强共挤，车身车间贴于成型金属面板表面。系统不只提升大/相对无支撑面板刚度（减少翘曲起皱），还因惯性矩增加改善NVH。进而提供减薄面板降低质量成本机会。商业应用含汽车门/顶/地板面板、引擎盖、翼子板、后门、尾门；潜在应用含电池壳体。

蜂窝面板增强件含轻量环氧——膏状供手工涂抹或低粘液态供自动泵送——固化后可机加工或打磨。设计用于稳定蜂窝芯，主用飞机内饰战略位置，不增过量重量。其他用途含边缘增强（密封/加强复合面板边）、嵌件粘接、复合面板金属铰链/嵌件安装处局部增强。

未来展望

自1999年首项专利，L&L为CBS技术申请众多发明。鉴于该产品族现有广泛载体和胶选项，应用拓展至卡车和航空航天不足为奇。下一步？

"多年CBS产品演进服务结合功能的新应用需求，"Ignés补充。"例如，最初仅结构增强，演进为不只增刚还改善声学功能或增强能量吸收。鉴于CBS技术提供极具吸引力性能组合，预期不仅汽车用量增长，其他行业也将增长。"