適用于汽車(chē)尾門(mén)板的熱塑性材料力學(xué)行為研究

馬 秋，宋偉華，梁 娜，李 術(shù)，顧鵬云，李淑慧

(1.浙江汽車(chē)工程學(xué)院，浙江 杭州 310052；2.合肥杰事杰新材料股份有限公司，安徽 合肥 230601；3.浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司，浙江 杭州 310052；4.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

適用于汽車(chē)尾門(mén)板的熱塑性材料力學(xué)行為研究

馬 秋1,3，宋偉華2*，梁 娜2，李 術(shù)2，顧鵬云3，李淑慧4

(1.浙江汽車(chē)工程學(xué)院，浙江 杭州 310052；2.合肥杰事杰新材料股份有限公司，安徽 合肥 230601；3.浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司，浙江 杭州 310052；4.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

為研究一種適用于汽車(chē)尾門(mén)板的熱塑性材料，以乙烯 - 辛烯共聚物(POE)為增韌劑，滑石粉為無(wú)機(jī)填料，通過(guò)熔融共混法制備了增強(qiáng)改性聚丙烯(PP/POE-TD)復(fù)合材料；考察了不同應(yīng)變速率和測(cè)試溫度對(duì)材料拉伸強(qiáng)度的影響，以及不同滑石粉含量對(duì)材料彎曲模量、沖擊強(qiáng)度和線(xiàn)性膨脹系數(shù)的影響。結(jié)果表明，應(yīng)變速率提高，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度持續(xù)升高，斷裂伸長(zhǎng)率先升高后下降；拉伸溫度降低，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高；隨著滑石粉含量的增加復(fù)合材料彎曲模量升高，沖擊強(qiáng)度降低，線(xiàn)性膨脹系數(shù)減小；汽車(chē)尾門(mén)板材料的滑石粉最佳含量為20 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

熱塑性聚烯烴；滑石粉；力學(xué)性能；線(xiàn)性膨脹系數(shù)

0 前言

目前汽車(chē)工業(yè)面臨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的挑戰(zhàn)，國(guó)家為此制定出臺(tái)了相應(yīng)的法規(guī)要求控制燃油及排放，而能耗和尾氣排放與汽車(chē)質(zhì)量成線(xiàn)性關(guān)系。在保持汽車(chē)整體品質(zhì)、性能和造價(jià)不變甚至更低的前提下，輕量化對(duì)節(jié)能、環(huán)保和提升安全性意義重大。

應(yīng)用輕質(zhì)材料是汽車(chē)輕量化最為直接有效的手段，其包括熱成型鋼、鋁、塑料、復(fù)合材料等。熱塑性塑料以其質(zhì)量輕、成本低、環(huán)保和耐腐蝕等獨(dú)特性能，在汽車(chē)內(nèi)飾件、外裝件、車(chē)身和結(jié)構(gòu)件等方面的應(yīng)用日益廣泛。采用非金屬材料制造的汽車(chē)尾門(mén)具有零部件集成度高、減重明顯(40 %以上)、設(shè)計(jì)自由度高、生產(chǎn)周期短和行人保護(hù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)主機(jī)廠、零部件公司和材料公司紛紛將全塑尾門(mén)作為車(chē)身輕量化方案開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。目前全塑尾門(mén)在部分外資汽車(chē)品牌中已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用，包括路虎極光、沃爾沃XC60、標(biāo)致308S、雪鐵龍DS6、日產(chǎn)奇駿等。

PP/POE-TD材料具有密度較低、力學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕、環(huán)保、價(jià)格低廉以及易于回收利用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)外飾件，也適用于生產(chǎn)汽車(chē)尾門(mén)[1-5]。本項(xiàng)目主要是以汽車(chē)尾門(mén)板所用材料PP/POE-TD為研究對(duì)象，分析了不同應(yīng)變速率和測(cè)試溫度下材料拉伸性能的變化；并考察了不同滑石粉含量對(duì)聚丙烯(PP)材料力學(xué)性能的影響，通過(guò)分析其變形過(guò)程中力學(xué)性能的變化，獲得了滑石粉組分與材料力學(xué)性能的耦合行為，為零部件計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP，PP-BX3800、PP-BX3900，工業(yè)級(jí)，韓國(guó)SK株式會(huì)社；

滑石粉，AH51210，工業(yè)級(jí)，粒徑為5 μm，遼寧艾海滑石有限公司；

POE，POE 8150，工業(yè)級(jí)，陶氏化學(xué)(中國(guó))有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高速混合機(jī)，SHR-500A，張家港市永利機(jī)械有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)，SJ-42，南京杰亞擠出裝備有限公司；

注塑機(jī)，HTF90W1，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；

高速拉伸試驗(yàn)機(jī)，HTM2512，德國(guó)Zwick公司；

微機(jī)控制電子萬(wàn)能(拉力)實(shí)驗(yàn)機(jī)，CMT4204，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

電子懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，ZBC1400-A，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

靜態(tài)熱分析儀，TAM 400A，美國(guó)TA儀器。

1.3 樣品制備

將牌號(hào)分別為PP-BX3800和PP-BX3900的PP以1∶1的質(zhì)量比混合均勻得PP共混物，并按照表1進(jìn)行配料，在高速混合機(jī)中混合4 min；PP-1～PP4材料經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出后造粒，擠出溫度范圍為180～210 ℃；再經(jīng)注塑機(jī)注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條后進(jìn)行測(cè)試，注射溫度范圍為180～210 ℃，注射壓力為3.5 MPa，注射速率為35 g/s，注射時(shí)間為3 s，保壓時(shí)間為18 s，冷卻時(shí)間為15 s，模具溫度為25 ℃。

表1 改性PP復(fù)合材料配方 %

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸性能測(cè)試：高速拉伸試驗(yàn)按 ISO 527-2：2012進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率分別為18、180、1800、18000、180000 mm/min，測(cè)試溫度為23 ℃；非高速拉伸試驗(yàn)按ISO 527-2：2012進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為50 mm/min，測(cè)試溫度分別為80、40、23、0、-20、-30、-40 ℃；樣條為啞鈴形，樣條尺寸為170 mm×10 mm×4 mm；

彎曲性能測(cè)試：按ISO 178：2010進(jìn)行測(cè)試，彎曲測(cè)試速率為2 mm/min，測(cè)試溫度為23 ℃；樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm；

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試：按ISO 180：2000進(jìn)行測(cè)試，沖擊能為5.5 J，測(cè)試溫度為23 ℃；樣條為矩形，V形缺口，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm；

線(xiàn)性膨脹系數(shù)測(cè)試：按ISO 11359-2：1999測(cè)量熔體流動(dòng)方向(FD)和垂直熔體流動(dòng)方向(TD)方向上的線(xiàn)性膨脹系數(shù)值，測(cè)試溫度范圍為-40～80 ℃，測(cè)試樣品從彎曲試驗(yàn)測(cè)試樣條上剪取，樣條尺寸為10 mm×5 mm×4 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)變速率對(duì)拉伸行為的影響

在汽車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材過(guò)程中，需要對(duì)汽車(chē)的碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬分析，而車(chē)用材料在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線(xiàn)是汽車(chē)碰撞模擬成功的關(guān)鍵[6]。不同應(yīng)變速率下PP-1材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率如圖1所示，其中應(yīng)變速率與拉伸速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。從圖1中可見(jiàn)，隨著拉伸速率成倍的提高，拉伸強(qiáng)度持續(xù)升高，而斷裂伸長(zhǎng)率呈先升高后下降的趨勢(shì)。

表2 應(yīng)變速率隨拉伸速率的變化關(guān)系Tab.2 Corresponding relation between strain rate and tensile velocity

圖1 不同應(yīng)變速率下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Fig.1 Tensile strength and elongation at break of the composites at different strain rates

拉伸速率對(duì)拉伸強(qiáng)度有著非常重要的影響。塑料屬于黏彈性材料，其應(yīng)力松弛過(guò)程對(duì)拉伸速率非常敏感。當(dāng)拉伸速率較小時(shí)，分子鏈有足夠的時(shí)間重新排列，內(nèi)部缺陷可以充分發(fā)展，因而拉伸速率較小時(shí)拉伸強(qiáng)度較低，斷裂伸長(zhǎng)率較大；而高速拉伸時(shí)，高分子鏈段的運(yùn)動(dòng)跟不上外力作用速度，來(lái)不及重新取向，則表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度增大，斷裂伸長(zhǎng)率降低。隨著拉伸速率從18 mm/min增加到1800 mm/min，材料的斷裂伸長(zhǎng)率逐步提高，但當(dāng)拉伸速率進(jìn)一步增大時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率又逐步降低。

2.2 測(cè)試溫度對(duì)拉伸力學(xué)行為的影響

汽車(chē)內(nèi)、外飾件的使用溫度范圍一般為-40～80 ℃，因此在該溫度范圍內(nèi)對(duì)PP-1～PP-4材料進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度 MPa

環(huán)境溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度有著非常重要的影響，PP材料的應(yīng)力松弛過(guò)程對(duì)環(huán)境溫度非常敏感，在力學(xué)性能上表現(xiàn)出對(duì)溫度的依賴(lài)性。隨著拉伸溫度的上升，聚合物材料內(nèi)部分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，同時(shí)熱膨脹使分子間距離增大，聚合物內(nèi)部自由體積增大，有利于分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，因而材料的拉伸強(qiáng)度隨之降低[7]；拉伸溫度越高，分子鏈段取向越充分且分布更加均勻合理，故而拉伸強(qiáng)度越低。而當(dāng)拉伸溫度降低時(shí)，分子鏈段運(yùn)動(dòng)會(huì)受到一定程度的凍結(jié)，抵抗外力的能力變強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度提高。

2.3 滑石粉含量對(duì)材料力學(xué)性能的影響

由表4可知，在本研究的配方體系下，滑石粉含量對(duì)材料的拉伸強(qiáng)度影響不大。又因?yàn)榛凼莿傂粤Ｗ樱谕饬ψ饔孟虏灰桩a(chǎn)生變形，在復(fù)合材料中起應(yīng)力集中的作用，無(wú)法終止裂紋，因此材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨著滑石粉含量的增加而降低。

表4 滑石粉含量對(duì)材料力學(xué)性能的影響Tab.4 Effect of talc content on mechanical properties of the materials

高分子的剛性通常用彎曲模量表示，彎曲模量越大，材料剛性越好，反之則剛性差。從表4中可以看出，隨著滑石粉含量的增加，材料的彎曲模量逐漸增加。這是因?yàn)榛蹖儆谄瑢咏Y(jié)構(gòu)，模量較高，在PP中起到增強(qiáng)作用，宏觀表現(xiàn)為材料的彎曲模量提高。

從表4中還可以看出，沖擊強(qiáng)度隨滑石粉含量的增加而降低。當(dāng)滑石粉含量從20 %增加到25 %時(shí)，材料的沖擊強(qiáng)度從22 kJ/m2降低到 20 kJ/m2，但仍保持在較高水準(zhǔn)。在材料的沖擊斷裂過(guò)程中，滑石粉的加入對(duì)PP分子鏈松弛有阻礙作用，降低了復(fù)合材料的韌性。但在滑石粉含量未超過(guò)25 %時(shí)，PP、增韌劑與滑石粉的相容性好，相分離時(shí)可消耗大量能量，材料的韌性未明顯降低。隨著滑石粉含量增加到30 %和35 %時(shí)，滑石粉在PP基體中的分散均勻性變差，界面缺陷增多，相容性降低，復(fù)合材料在受到?jīng)_擊時(shí)，滑石粉易于從PP基體中剝離而產(chǎn)生相分離，宏觀表現(xiàn)為產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致體系的沖擊強(qiáng)度下降，復(fù)合材料變脆。

通過(guò)比較PP-1～PP-4的力學(xué)性能，并結(jié)合汽車(chē)尾門(mén)板材料的綜合性能以及汽車(chē)輕量化的要求，滑石粉最佳添加量為20 %。

2.4 滑石粉含量對(duì)線(xiàn)性膨脹系數(shù)的影響

汽車(chē)尾門(mén)板材料要求具有較低的線(xiàn)性膨脹系數(shù)，由表5可知，隨著滑石粉含量的增加，PP改性材料在FD和TD方向上的線(xiàn)性膨脹系數(shù)均減小，其中FD方向更小。滑石粉分散在PP基體中，抑制了PP分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)，使材料的線(xiàn)性膨脹系數(shù)降低。在FD方向上，增韌劑和滑石粉都易發(fā)生取向，復(fù)合材料在FD方向上的線(xiàn)性膨脹系數(shù)較小。在TD方向，增韌劑呈海島式分散結(jié)構(gòu)，滑石粉均勻地分散在增韌劑、PP基體中[8]，其線(xiàn)性膨脹系數(shù)比FD方向大。因此，添加滑石粉是降低PP復(fù)合材料線(xiàn)性膨脹系數(shù)的有效方法，PP復(fù)合材料的線(xiàn)性膨脹系數(shù)表現(xiàn)出各向異性。

表5 滑石粉含量對(duì)復(fù)合材料線(xiàn)性膨脹系數(shù)的影響Tab.5 Effect of talc content on linear expansion coefficient of the composites

3 結(jié)論

(1)PP/POE-TD復(fù)合材料，在高速拉伸下，隨著拉伸速率的提高，材料的拉伸強(qiáng)度升高，斷裂伸長(zhǎng)率先升高后降低；在非高速拉伸下，隨著拉伸溫度的降低，材料的拉伸強(qiáng)度增大；

(2)隨著滑石粉含量的增加復(fù)合材料的彎曲模量增大，沖擊強(qiáng)度降低，結(jié)合汽車(chē)尾門(mén)板材料的綜合性能及汽車(chē)輕量化要求，滑石粉的最佳添加量為20 %；

(3)隨著滑石粉含量的增加，F(xiàn)D和TD方向上的線(xiàn)性膨脹系數(shù)均減小，其中FD方向更小。

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Study on Mechanical Behaviors of Thermoplastic MaterialsUsed for Automobile Rear Door Panels

MA Qiu1,3, SONG Weihua2*, LIANG Na2, LI Shu2, GU Pengyun3, LI Shuhui4

(1.Zhejiang Automotive Engineering Institute, Hangzhou 310052, China; 2.Hefei Genius Advanced Material Co, Ltd,Hefei 230601, China；3. Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co, Ltd, Hangzhou 310052, China；4. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In order to develop a type of thermoplastic materials used for automobile rear door panels, a polypropylene (PP)-based composite was prepared via melt blending by using POE as an impact modifier and talcum powders as an inorganic filler. Effects of stain speed and test temperature on tensile strength and effect of talcum content on mechanical properties and linear expansion coefficient were investigated extensively. The results indicated that tensile strength of the composites increased with an increase of strain rate, but the elongation at break showed an increase at first and then tended to decrease. On the other hand, the tensile strength decreased with increasing test temperature. With increasing content of talcum powders the flexural modulus increased, the impact strength decreased, and linear expansion coefficients also decreased. The optimum content of talcum powders in this material was determined as 20 wt % when being used for automobile rear door panels.

thermoplastic polyolefin; talcum powder; mechanical property; linear expansion coefficient

2017-03-22

TQ325.1+4

B

1001-9278(2017)08-0084-04

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.08.015

*聯(lián)系人，songweihua@geniuscn.cn