汽车用复合材料A级表面检测技术的研究进展

周波，郑挺，项林忆，胡斌，邹新良，何光建

(1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州511434；2.华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广东省高分子先进制造技术及装备重点实验室，广东广州 510640)

0 引言

在汽车开发过程中，A级表面是大多数汽车设计中都会用到的术语，并具有严格的数值定义，用于描述一组光滑和高质量的自由曲面。但对于制造出来的车身表面的评定，则没有统一的评定标准，简单地讲就是要求曲面必须光顺，即避免在光滑的表面上出现突然的凸起、凹陷等缺陷[1]。后来被广为接受的一种评定标准大致是A级表面两个相邻补丁边缘的每个点之间的距离必须不超过0.001 mm，两个相邻面片边缘上的表面切线之间的角度不超过0.005°。

随着汽车轻量化技术的发展，复合材料在汽车制品上的应用也越来越广泛。目前，用A级SMC已经生产出了镜面外观的汽车外表面制品，同时SMC材料的高比强度和高比刚度也使其在汽车等工业上替代钢铁、减轻自身质量方面拥有较大的优势。然而对于金属材料来讲，其表面光洁度取决于刀具和切削参数。而采用复合材料制作的表面质量则非常复杂，其表面质量与复合材料收缩率、成型固化温度、压力、模具表面质量等诸多因素有关。因此，现有的金属表面质量评价方法不能很好地评价复合材料面板的表面质量[2-3]。对车身外表面制品表面性能的评定，以往主要依靠经验通过主观评定，或者依靠边界，通过对照检测来检验判断，而对于复合材料制成的A级表面更难给出确切的数值定义，笼统地认为A级表面应该达到与涂装后钢板同样的光学效果和水平。

由于主观评价方法的随机性，为了提高主观评价样本的准确性，需要增加评价人数和延长评价时间，因此主观评价方法逐渐难以满足自动化生产的需要，从而发展了对A级表面质量进行仪器评价的测量方法和技术。

1 汽车制品外观表面质量的检测手段

一个高表面质量的制品可以节约能源和材料、减少成本、提高产品质量、降低零件的废品率以及提高其使用寿命和使用性能[4]，因此需要对A级表面的评定提出一系列客观、可度量的评定标准。

对汽车制品外观件的表面质量进行检测，主要有两种手段：一种是接触式测量手段，另一种是非接触式。接触式测量手段是采用高灵敏度的探针在表面移动，将表面接触的信号转化为电信号输出，从而获得不同表面位置的轮廓图像。许多表面光洁度的测量仪器都属于这一类型，例如常用于表面检测的原子力显微镜(AFM)就属于接触式测量方法[5-7]。非接触式测量技术则一般基于光学原理，采用光学显微技术、电子显微技术或光学传感器技术来检测和收集表面质量参数。非接触式表面测量技术除了可以确定表面轮廓，还可以测量光泽度、DOI(图像的清晰度)以及桔皮现象。相对于接触式测量方法，非接触式测量系统更适用于测量较大表面积的样品以及材料表面较软的样品。但是，非接触式系统相较接触式价格往往更高，同时也可能会受到材料颜色或表面其他光学性质的影响。

目前，非接触测量系统和接触测量系统都可以实现样品表面的高精度和高分辨率测量[8]，也已经发展了相关技术标准和参数用于评定表面粗糙度[9-11]。

1.1 接触式测量原理及主要产品

接触针式仪器的测量原理是在被检测样品的表面移动一个高精度的探头，在移动的过程中检测每一个位点的相对高度随移动位置变化的情况。机械触针法按照位移检测方式分为电感式、电容式、压电式、迈克尔逊干涉式、柱面光栅干涉式、扫描白光干涉式等[12]。在测量过程中，触针通过对被测样品做逐点扫描收集信息，最后组合信息得到被测表面的轮廓曲线。触针式轮廓仪尽管有可能对被测表面造成损伤、扫描速度低、测量区域有限等缺点，但它仍是目前使用最便捷的一种表面探测手段，并且由于触针直接接触被测样品表面，接触式测量仪器的分辨率很高，可以得到稳定可靠的表面形貌数据。例如Mitutoyo SJ402的分辨率可以达到1.25 nm/800 μm，所以一直是各国国家标准及国际标准制定的依据。触针式测量过程在测量表面粗糙度时产生误差的主要影响因素是探针的大小、探针的负载、探针移动的速度以及粗糙表面的横向偏差。

自英国Taylor-Hobson公司1940年研制成功了表面粗糙度测量仪Talysurf之后[13]，轮廓仪迅速进入了表面特征测量领域，除了常见系列Talysurf 5、Talysurf 6、Form Talysurf，另外还有Form Talysurf PGI系列粗糙度轮廓仪[14-15]。德国Mahr集团生产性能优异的M系列便携式粗糙度仪，其附件的多样性有助于实现复杂沟槽的测量。台式粗糙度仪中Perthometer S3P、S4P等也表现出很好的性能。日本Mitutoyo公司的优势在于各种专用传感器测头可以适配各种型号轮廓仪，一机多用，其产品主要是Surftest系列，包括便携式211/212/301及台式SU424/ SU-624等。我国主要的轮廓仪生产厂家有哈尔滨量具刀具厂、上海量具刃具厂及北京时代公司等。

1.2 非接触式测量原理

虽然触针法测量技术简单，但对于表面测量数据的后处理计算过程繁琐，特别对于大样品的表面检测效率较低，不能实现表面粗糙度的实时控制，且容易对测试表面产生一定程度的破坏，因此该技术对检测对象的材质要求较高，工业上在更多时候通过光学非接触测量手段来检测表面的外观质量。美国测试与材料学会(American Soeiety for Testing and Materials,ASTM)将对象的外观定义为大小、形状、颜色、纹理、光泽、透明度等视觉感知[16-17]。人类感知的视觉外观是物体与入射在其上的入射光之间复杂相互作用的结果，这些相互作用包括镜面反射、散射、吸收和透射。视觉外观的所有几何属性都源于空间中白光的分布[18-19]。国际照明委员会(International Commission on illumination,CIE)将材料的光学特性分为4个方面(颜色，光泽，半透明和纹理)[20]。

1970年，MEADOWS等[21]提出了主要基于光学条纹图的表面分析原理，通过提取条纹图中的相位信息来获取物体表面形貌。随后表面测量技术逐渐由触针逐点式测量向光学多采样点方式发展。随后1982年扫描隧道显微镜(STM)的成功面世更加促进了表面质量非接触式测量技术的发展[22]。目前非接触式测量方法的评定标准主要基于光线与样品表面物理性质相互作用所产生的视觉印象和光学信息来进行，由于表面外观质量不同，样品表面直接反射的光线使物体呈现出不同的外观显现，主要表现在样品表面的光泽、桔皮、雾影以及鲜映性(DOI)等参数[23-25]。HUNTER等首先将镜面光泽度定义为以指定角度从表面反射的光与从表面法向另一侧相同角度入射到表面上的光的比率(图1)。随后，他又提出了其他几种反应光泽的指标并对它们做出了解释[16,26-27]。

图1 HUNTER提出来的5种光泽类型[16]

1.2.1 光泽(光泽度)

光泽度是光在没有散射的情况下从表面反射的程度。当眼睛聚焦在光源的反射影像上，获取的信息反映的是成像质量以及表面反射物体的能力，即表面的光泽属性。测量光泽度时，光源放在探测器的对面，在反射角的小范围内记录光强。表面接收入射光后，大多数在镜面反射角处集中反射出平行光束，则样品显示高光泽度。入射光在各个角度都存在反射，光束朝各个方向上漫射，则成像质量低，称为中光泽或低光泽表面。为了在从高光泽到哑光的整个测量范围内获得准确的参考数据，ISO 2813和ASTM D523从高到低光泽标准化了20°、60°、85°三种光路几何结构[28-30]。目前的光泽度仪都可以提供3种情形下的镜面几何形状，一般情况下，测量程序首先使用60°入射光线测量光泽度，如果结果小于10光泽度单位(GU)，则应使用85°光路进行测试，或者如果结果大于70 GU，则必须采用20°光路。

在反射物体边缘时，高光泽表面的黑暗部分会显得有点明亮，称为雾影；高光泽表面由于细微结构，在主反射方向附近有低强度的漫射光，使得表面光泽度和成像质量高但表面会出现乳白色的朦胧。这种由于涂料中颜料分散均匀性不好而导致的微结构会发生乳状外观，就被称为雾影，雾影是只有高光泽表面才会出现的现象。

样品随着老化时间的延长，样品表面对光的镜面反射能力下降，目视光泽变差；烘烤温度对物体表面镜面反射能力也有一定的影响。而对于溶剂型涂料而言，溶剂的各组分挥发速率的差别越小越有可能得到高光泽的表面。当溶剂各组分在湿膜阶段的挥发速率不相同时，聚合物分子有析出的趋势，会使涂膜表面变得不平整。在漆膜的烘烤工艺中，温度的升高会导致各组分之间挥发拉开差距，从而导致样品目视光泽度急剧下降[31-32]。

1.2.2 鲜映性(DOI)

鲜映性(Distinctness of Image)是以物体在表面上反射而产生的影像的锐度为特征的光泽的一部分，它是镜面反射微小变化的函数[33]。在测量A级表面的鲜映性，即图像清晰度时，一般使入射光束的轴线从垂直于试样表面20°或30°的位置入射，接收器设置在与反射光重合位置和离开反射光0.2°～0.4°的位置，光泽度反射系数是由此两者得到的值组合起来得到的[34]。

2006年BYK-Gardner开发了一种称为wave-scan dual(也叫wave-scan DOI)的仪器，其入射激光以60°的角度照射在表面上，并在镜面反射角检测到反射光，通过扫描和记录表面的光学轮廓来测量表面的波纹度。在测量过程中，仪器在整个样品表面上移动一个大约10 cm的扫描长度，每0.027 mm记录一次数据点。信号在0.1～30 mm内被分为5个波长范围，对于5个范围中的每个范围都有其特征值(Wa为0.1～0.3 mm，Wb为0.3～1.0 mm，Wc为1.0～3.0 mm，Wd为3.0～10 mm，We为10～30 mm)。并将1～10 mm的波扫描值归纳为长波(LW)，0.3～1 mm为短波(SW)。检测到的散射光即所谓的雾影(du<0.1 mm)，通过使用短波范围Wa、Wb和du的3个值，可计算出DOI值[35-36]。

此外还有两种可通过波扫描DOI测量的外观特征：湿性外观(WL)和长波覆盖(LC)。这些值分别使用方程式(1)和(2)从元素结构尺寸测量中计算

(1)

(2)

当短波在视觉系统占优势时，会隐藏涂层表面的长波。Wd/Wc比值较高时，表面具有明显的WL。WL值低会导致纤维状光学印痕的出现;WL值高会导致表面看起来湿滑。另外，在汽车的检测过程中，汽车的水平面(如引擎盖)和垂直面(如车门)是主要的检查区域。在几乎所有的车身中，垂直表面的LC值都高于水平表面[37]。

物料分散程度、细度、颜料种类和彼此之间的兼容性，添加的湿润剂、分散剂及其浓度，涂装方法(气动优于静电)等都对雾影值有一定程度的影响。物料细度越小，分散程度越好，则雾影就越不明显，光泽度越好。随湿润剂或分散剂等添加剂的含量增加，材料表面的光泽和雾影都有所改善。

1.2.3 纹理(桔皮)

当眼睛聚焦于表面时，会观察到像明暗区域交替出现的波纹结构，这些波纹结构被称作桔皮。桔皮是对表面粗糙度或波纹度的度量，受涂层表面高度差的影响，由样品的基体粗糙度、薄膜厚度、漆膜配方、制造工艺等各种因素共同决定。桔皮反映的是样品表面的纹理属性，从外观来看可将其视为亮区和暗区的波浪形图案[38-39]。ASTM E284标准将桔皮定义为类似于桔皮表面的不规则外观[17]。桔皮结构通过不规则外观的大小、形状和深度来描述，其可见程度与波纹大小、观测距离、成像质量等因素有关。这些结构的清晰度不仅取决于结构的大小，还取决于观看距离，3～100 mm大小的波纹在3 m的距离可以看到，被称为长波；0.1～1 mm内的小型结构只有在非常近的距离才看得见，称为短波[40]。非常精细的表面结构，甚至小于0.1 mm不能用肉眼检测到，但它们也会降低涂层表面的清晰度，并最终影响涂层的视觉外观；尺寸在1～3 mm的表面结构在距离为3 m时很难被检测到，但它们也会影响涂层的外观[14]。

1980年，美国高级涂料技术(Advanced Coating Technology laboratory,ACT)实验室开发了一套标准桔皮样板，定义了10块桔皮样板作为外观比较的标准，以助于视觉评估样品的表面质量。该套样板简单地标记为面板1～10，其中面板1具有高度的表面粗糙度，面板10具有最好的光滑光洁度。并用该桔皮样板来实现给参数AOP(Absence of Orange Peel)及ACT标准橙皮标度(ACTv)关于LW参数与镜面光泽度和DOI的相互转换，使AOP的值介于0～100之间，来表示桔皮的缺失百分比。

在证明了目前提出的视觉评估技术的内在可加性之后，又提出方程来定义“总几何外观指数(GAI)[如方程式(3)]，作为几何外观属性的组合指数，即镜面反射消色差汽车饰面的光泽度G、DOI和OP[41]：

(3)

2 表面检测的应用及A级表面的评价标准

对金属材料的光滑表面而言，无论入射角如何，其镜面反射率总是恒定的。对热塑性树脂，生产冷却过程中体积收缩明显，表面会出现微型孔洞，影响其表面质量。且增强材料收缩时还会导致树脂和纤维的不均匀分布，使纤维凸出，表面粗糙度增加[3]，后续处理的清漆应用也对表面质量有一定影响[42-44]。热固性复合材料(BMC/SMC/RTM)由于体积收缩率降低，表面光滑度有显著提高。

对BMC/SMC制品表面的评价方法，经历了由低级到高级、由定性到定量的转变。关于表面测试的方法，国际上有光栅法、衍射观测指数法以及激光光学反射成像分析等[45]，我国则制订了一个测试漆膜光泽度的国家标准[46]。用光栅法测试时，A级表面应符合9级精度；当用衍射观测指数(DSI)时，A级表面应为130；当用激光光学反射成像分析时，A级表面的激光光学反射图像分析仪的数值LORIA (Laser Optical Reflection Image Analysis)为80～110。专利[47]中使用表面分析仪LORIA测试反映合成的片状模塑料(SMC)的表面质量。实验结论表示成分为热固性树脂添加芳族、多烯键式不饱和单体、低收缩添加剂增强剂和粗纱增强材料等可得到具有A级表面质量的车辆模塑复合材料[48]。

2008年，欧洲一家汽车研究小组还定义了一个新的“结构平衡指数B”，该指数B是Wb和Wd值的函数，如方程式(4)所示，它可以用来同时评估表面的短波和长波，从中取得平衡，然后再借助BYK的“平衡表”来评价整体外观[49]。

(4)

用于测量汽车饰面外观的最常用的仪器是Autospec QMS-BP。该仪器测量光泽度、DOI和桔皮。通过综合测量的光泽度、DOI和桔皮值计算出整体外观值(NAP)[39,50]。神龙有限公司的漆膜桔皮测试中就用到了桔皮仪和NAP来获取其长短波桔皮和鲜映性数据[51]。德国的Car Paint Vision(CPV)的ISRA Surface Vision，实现了将现代视像技术用于表面量化测定。德国的曼佐里特(Menzolit)公司可以制作出低比重的轿车级别SMC，即能够使SMC基材成型后具有金属一般非常平整的表面。

3 总结

目前，汽车用A级表面的检测手段正在不断完善，产品类型和后续开发也越来越多。各粗糙度测量仪的生产厂家需要努力实现测量设备的性能优化，完善其功能；同时，也不能忽视微机处理技术、高度集成化电路技术，使生产出来的设备具有更加适应在线测量要求的超小型体系结构。总体来说，A级表面的测量不断向着现代化、自动化的方向发展。