楊文葉 王立 吳亮發(fā) 朱長春 李莉 顧鵬云

摘 要：聚碳酸酯（PC）以其獨(dú)特的光學(xué)性能和優(yōu)異的機(jī)械性能、質(zhì)輕、設(shè)計(jì)自由度高等特性已經(jīng)替代傳統(tǒng)無機(jī)玻璃廣泛應(yīng)用于諸多車型的角窗、固定天窗等部位。本文制備了一款車型的PC有機(jī)玻璃后角窗，依據(jù)ECE R43標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其光學(xué)性能、機(jī)械性能以及環(huán)境性能進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，PC有機(jī)玻璃后角窗各項(xiàng)性能均滿足或高于法規(guī)要求，并且較采用傳統(tǒng)無機(jī)玻璃單車減重36.7%。此外，PC有機(jī)玻璃優(yōu)異的抗沖擊性能對(duì)乘員安全和行人保護(hù)具有重大意義。

關(guān)鍵字：PC有機(jī)玻璃；輕量化；光學(xué)性能；機(jī)械性能；環(huán)境性能

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-143-04

Abstract： Polycarbonate （PC） with its unique characteristic of mechanical properties， light weight， design freedom features， are instead of traditional inorganic glass and widely used in many areas of automobile. In this paper， a PC organic glass of angle window was prepared， and tested the optical properties， mechanical properties and environmental properties， according to the standard of ECE R43. The results showed that all the performances of PC angle window achieved the requirements of laws and regulations. Meanwhile， comparing to traditional inorganic glasses， PC organic glasses can reduce more than 36.7% of weight. In addition， the excellent impact resistance of PC organic glass had a significant effect on occupant safety and pedestrian protection.

KeywordS： PC organic glass； Lightweight； Optical properties； Mechanical properties； Environmental performance

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-143-04

前言

聚碳酸酯（PC）以其獨(dú)特的光學(xué)特性和優(yōu)異的耐熱性、耐低溫性、抗沖擊性和質(zhì)輕等特性[1]，正在對(duì)無機(jī)玻璃的傳統(tǒng)地位進(jìn)行挑戰(zhàn)，逐漸成為汽車輕量化車窗理想的首選材料。1998年P(guān)C有機(jī)玻璃在Smart的全景天窗上首次問世，此后在多款車型車窗上得以量產(chǎn)應(yīng)用，如Mercedes A/B/C/GL- class， Audi R8 GT， Porsche GT3RS， Citroen GS5， Honda Civic， Fiat 500L，Toyota Prius等。

歐美及日本PC玻璃的生產(chǎn)方式為雙色注塑及淋涂硬化，模具開發(fā)難度大，成本高，周期長，良率低，故此生產(chǎn)方式的必然結(jié)果即高昂的模具費(fèi)和高的成品單價(jià)[2，3]。因此，PC有機(jī)玻璃一直無法在國內(nèi)汽車市場廣泛應(yīng)用。不過近年來，國內(nèi)幾家PC車窗生產(chǎn)企業(yè)在吸取歐美及日本生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)行業(yè)狀況及自身優(yōu)勢，已經(jīng)能夠自主開發(fā)出低成本，高性價(jià)比并可滿足車窗使用要求的PC有機(jī)玻璃。

傳統(tǒng)的無機(jī)玻璃分為鋼化玻璃和夾層玻璃（PVB膜）兩類，而PC有機(jī)玻璃則由涂層和PC基材構(gòu)成（圖1）。與無機(jī)玻璃相比，PC有機(jī)玻璃具有以下優(yōu)勢 [4，5]：（1）設(shè)計(jì)自由度高，功能整合；（2）韌性好，抗沖擊性能優(yōu)異；（3）PC比重：玻璃比重=1.2：2.5，減重效果明顯；（4）隔音效果優(yōu)異，可有效阻隔由風(fēng)等產(chǎn)生的高頻噪聲；（5）可回收，循環(huán)利用，環(huán)保。但是，PC有機(jī)玻璃在耐候性、耐磨性、抗UV性能以及剛度方面差于無機(jī)玻璃，需要依賴涂層技術(shù)得以改善和提升。

汽車車窗玻璃是重要的安全部件之一，因此作為汽車車窗玻璃的PC材質(zhì)應(yīng)滿足相應(yīng)的法規(guī)要求。目前，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，各地法規(guī)的陸續(xù)健全，統(tǒng)計(jì)全球玻璃法規(guī)見表1。

根據(jù)歐美和日本的法規(guī)，考慮到事故逃生的整車安全需求，PC有機(jī)玻璃不能應(yīng)用于前風(fēng)擋玻璃；后角窗、后風(fēng)擋玻璃窗、層疊式天窗固定部分和全景天窗是目前PC有機(jī)玻璃主要應(yīng)用的部位[6]，應(yīng)用實(shí)例列舉見圖2。

本文以某車型的后固定角窗為研究對(duì)象，由乙盛精密工業(yè)股份有限公司制備了PC有機(jī)玻璃后角窗并對(duì)其應(yīng)用于汽車車窗的相關(guān)性能要求按照ECER 43標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證PC有機(jī)玻璃在輕量化車窗上應(yīng)用的可行性和突出優(yōu)勢。

1 PC車窗玻璃的制備及性能檢測

1.1 PC有機(jī)玻璃后角窗制備工藝

根據(jù)某車型后角窗的3D數(shù)據(jù)（圖3）制備PC有機(jī)玻璃后角窗，零件外形近似尺寸544mm×203.5mm×29.5mm，評(píng)估后設(shè)計(jì)PC基材厚度為4mm。

PC有機(jī)玻璃后角窗制備主要分為PC有機(jī)玻璃工藝和包邊注塑工藝，具體流程如圖4：

該車型的左、右后角窗采用無機(jī)鋼化玻璃制備成型的重量為2.85kg；采用PC材質(zhì)制備成型的重量只有1.803kg，較無機(jī)玻璃方案減重36.7%。

1.2 PC有機(jī)玻璃后角窗試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 可見光透射比

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：ECE R43 A3 9.1，平行光管的白熾燈光源，電壓保證其顏色溫度為2856±50 K，透鏡經(jīng)色差校正，焦距長≥500 mm，透鏡孔徑不超過f/20，調(diào)節(jié)透鏡和光源之間的距離以獲得基本平行的光束。

1.2.2 耐磨性

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：ECE R43 A14 6.1，切取100mm×100mm的正方形樣品，中心安裝孔直接6.4±0.2mm，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)65～75 r/min，每個(gè)砂輪上施加500g壓力。

1.2.3 抗沖擊性

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：ECE R43 A3 2，測試樣品待選10個(gè)，≥5塊試樣符合規(guī)定即合格，≤3塊試樣符合為不合格；4塊試樣符合時(shí)，追加6塊，全符合為合格。

1.2.4 人頭沖擊測試

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：ECE R43 A14 4，模型頭的總質(zhì)量10.0+ 0.2/-0.0 kg，在基礎(chǔ)板的中心和重心安裝加速計(jì)，沖擊下落高度150cm，測量HIC值。

1.2.5 PVC包邊粘接強(qiáng)度

測試在室溫下進(jìn)行，將試片切去后留下15mm長的一段，施加98N/10mm的拉力，拉力速度50mm/min，試片和鐵片不可有分離現(xiàn)象。

1.2.6 耐光老化

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：ECE R43 A3 6.4，長弧氙燈暴露裝置提供連續(xù)的光和間歇的周期為 2 h 的水霧，分兩個(gè)階段：102 min試樣接受光照，無水霧；18 min光照和水霧同時(shí)進(jìn)行。在長弧氙燈下的總紫外暴露量為500MJ/㎡，2350h，1175個(gè)循環(huán)，幅照度為60W/m2。

1.2.7 燃燒性能

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：ECE R43 A3 10，將試樣水平固定在 U 形支架上，暴露于燃燒室低能火焰中15 s，火焰作用于樣品自由端，確定材料燃燒速率。

1.2.8 耐潮濕性

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：ECE R43 A14 6.4，將試樣在封閉容器中垂直放置兩周，該封閉容器內(nèi)溫度保持50±2℃，相對(duì)濕度95±4 %。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 光學(xué)性能

2.1.1 可見光透射比試驗(yàn)

依據(jù)ECE R43 A3 9.1可見光透射比試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，取3個(gè)試樣進(jìn)行可見光透射比試驗(yàn)，結(jié)果如表2。

透光性是用于玻璃材料的基本特性，在光線由空氣層射入材料介質(zhì)中時(shí)，該材料介質(zhì)與空氣界面間的損耗是影響材料透光性能的因素之一。由PC有機(jī)玻璃后角窗可見光透射比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，PC材料的透光率>80%，與無機(jī)玻璃相當(dāng)且高于法規(guī)要求，能夠滿足汽車對(duì)車窗透玻璃透光率的要求。

2.2 機(jī)械性能

2.2.1 耐磨性能試驗(yàn)

依據(jù)ECE R43 A14 6.1耐磨性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，取6個(gè)試樣分兩組，一組試樣的外表面做500圈測試后測霧度變化率，另一組試樣的內(nèi)表面做100圈測試后測霧度變化率，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

與傳統(tǒng)無機(jī)玻璃相比，PC材質(zhì)的耐磨性有明顯差距，這也是PC有機(jī)玻璃固有的劣勢，但是經(jīng)過表面的涂層工藝可得到改善和提升以滿足其應(yīng)用于汽車車窗的使用要求。由表3顯示，試驗(yàn)后樣品外表面霧度變化率均值8.22%≤10%，內(nèi)表面霧度變化率均值2.98%≤4%，均高于法規(guī)要求。

2.2.2 抗沖擊性能試驗(yàn)

依據(jù)ECE R43 A3 2抗沖擊性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分別取10個(gè)試樣在室溫和低溫（-18℃±2℃）下，用重227g，直徑38mm的硬質(zhì)鋼球，從3m的高度自由降落，測試結(jié)果如表4。

由PC有機(jī)玻璃后角窗抗沖擊性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無論在常溫還是低溫環(huán)境下，10個(gè)試樣均無破碎，表明PC板材優(yōu)異的抗沖擊性能。有研究表明[7]，PC的抗沖擊強(qiáng)度比普通無機(jī)玻璃高250倍，一個(gè)重1kg的球狀物體以540km/h的速度撞擊15mm的PC玻璃不會(huì)擊碎。因此，在汽車發(fā)生碰撞尤其是在翻滾的情況下，PC有機(jī)玻璃優(yōu)異的抗沖擊性能可以防止車窗撞擊碎裂刺傷和乘員彈出窗外造成的人體傷害。

2.2.3 人頭沖擊性能試驗(yàn)

依據(jù)ECE R43 A14 4人頭沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，取6個(gè)試樣測試結(jié)果如表5。

人頭模型撞擊用來評(píng)價(jià)車窗玻璃在鈍物沖擊下是否具有最低強(qiáng)度或粘結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)的6個(gè)樣品測試結(jié)果顯示，試樣既無穿透也沒有被沖擊成完全分離的打碎片，并且HIC值分布在404～465，均值430，顯著低于法規(guī)要求HIC<1000。因此，PC有機(jī)玻璃在人頭沖擊方面能夠滿足應(yīng)用于汽車角窗的要求，在人與車輛發(fā)生碰撞的時(shí)候，能夠起到行人保護(hù)的作用。

2.2.4 PVC包邊粘接強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，取4個(gè)試樣進(jìn)行PVC包邊粘接強(qiáng)度測試，結(jié)果如表6，試樣測試前后的試樣對(duì)比如圖5。

PC有機(jī)玻璃后角窗PVC包邊粘接強(qiáng)度測試結(jié)果顯示，4個(gè)試樣的最大拔脫力均值992.3N，明顯高于目標(biāo)要求≥600N；由樣品測試前后的對(duì)比圖可見，PC有機(jī)玻璃后角窗PVC包邊無分離現(xiàn)象。因此，經(jīng)與傳統(tǒng)無機(jī)玻璃一致的包邊工藝，PC有機(jī)玻璃后角窗PVC包邊粘接強(qiáng)度完全滿足法規(guī)要求。

2.3 環(huán)境性能

2.3.1 耐光老化性能試驗(yàn)

依據(jù)ECE R43 A3 6.4耐光老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，取3個(gè)試樣測試透光率，然后進(jìn)行耐光老化試驗(yàn)。在進(jìn)行1250h，1175個(gè)循環(huán)后測試試樣的透光率，試驗(yàn)結(jié)果如表7。

由試樣結(jié)果可以看出，3個(gè)樣品經(jīng)耐光老化試驗(yàn)后表觀無氣泡、顏色、混濁、脫落等現(xiàn)象；試驗(yàn)前后的透光率比值均大于95%。因此，雖然PC材質(zhì)的耐光老化性能不如無機(jī)玻璃，但是經(jīng)過淋涂等工藝處理后得到改善和提升，能夠滿足應(yīng)用于汽車車窗的法規(guī)要求。

2.3.2 燃燒性能試驗(yàn)

依據(jù)ECE R43 A3 10燃燒性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，取5個(gè)試樣進(jìn)行燃燒性能測試，結(jié)果如表8。

由PC有機(jī)玻璃后角窗燃燒性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，5個(gè)試樣的燃燒速率均為0，滿足目標(biāo)要求≤110 mm/min。因此，經(jīng)淋涂工藝處理后的PC有機(jī)玻璃是不燃制品，不存在燃燒方面的安全隱患，完全滿足車窗玻璃在燃燒性能方面的要求。

2.3.3 耐潮濕性能試驗(yàn)

依據(jù)ECE R43 A14 6.4耐潮濕性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，10個(gè)試樣的測試結(jié)果如表9。

耐潮濕試驗(yàn)是人工模擬氣候環(huán)境，主要檢驗(yàn)車窗玻璃能否經(jīng)受一定時(shí)間的大氣濕氣作用。試驗(yàn)選取10個(gè)試樣在設(shè)定的溫濕度環(huán)境作用后，外觀均未發(fā)生氣泡狀或乳濁狀的分解；試驗(yàn)前后透光率比值分布在99.2%～99.8%，均值99.7%，滿足法規(guī)要求的≥95%。因此，PC有機(jī)玻璃優(yōu)異的耐潮濕性能保證了車窗即使在長期的潮濕環(huán)境下也能保持其優(yōu)異外觀質(zhì)量和良好的抗沖擊性能。此外，光學(xué)性能損耗微小不影響乘員的視野和自然光感透射情況。

3 結(jié)論

隨著PC材料性能的不斷提升，各地法規(guī)的陸續(xù)健全，生產(chǎn)工藝的逐步優(yōu)化，PC有機(jī)玻璃車窗技術(shù)日趨成熟，將成為汽車輕量化設(shè)計(jì)、節(jié)能減排、提升安全性能和美化造型的重要途徑之一。本文研究的某車型PC有機(jī)玻璃后角窗在滿足ECER 43法規(guī)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)整車減重1.05kg。PC材質(zhì)優(yōu)異的抗沖擊性能有利于提高整車安全性能，其固有的耐磨性、耐候性等難點(diǎn)也通過涂層技術(shù)得到提升，所制PC有機(jī)后角窗玻璃的各項(xiàng)性能均能滿足汽車車窗的法規(guī)要求，因此，PC有機(jī)玻璃能夠推廣且廣泛應(yīng)用于汽車角窗。

致謝

感謝乙盛精密工業(yè)股份有限公司為本文所研究的產(chǎn)品及其試驗(yàn)提供的技術(shù)支持！

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