羅佳宇 謝偉強(qiáng) 李后樂(lè) 趙德剛 張卡迪
摘 要:目前汽車內(nèi)外飾零件較多,由于材料本身結(jié)構(gòu)或組分內(nèi)部有易引起老化的弱點(diǎn),如具有不飽和雙鍵、支鏈、羰基、末端的羥基等等,在環(huán)境(光、熱、遇水、氧氣)等因素的作用下,極易產(chǎn)生光熱老化現(xiàn)象,造成外觀或者功能失效的情況,本文描述了汽車內(nèi)、外飾件材料、產(chǎn)生老化的原因,耐光老化的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及要求,以及如何在前期開(kāi)發(fā)對(duì)材料定義,和常見(jiàn)的一些減緩或者防止內(nèi)外飾件產(chǎn)生老化現(xiàn)象的措施。
關(guān)鍵詞:汽車內(nèi)外飾;光熱老化
1 汽車內(nèi)外飾零件的種類及所用材料
1.1 汽車內(nèi)飾
(1)內(nèi)飾件種類
汽車內(nèi)飾件主要包括儀表臺(tái)、副儀表板、頂棚、座椅、安全帶、門內(nèi)飾板、立柱裝飾板、行李艙裝飾件等。
(2)內(nèi)飾件的用料主要有如下幾種
a.工程塑料
PP:比重很小,具有化學(xué)惰性,吸水率低,耐熱老化特性良好,24小時(shí)的吸水率僅為0.01%,表面光潔度好,易于著色,是汽車保險(xiǎn)杠常用的原料之一。
ABS:ABS塑料物理性能較好,具有優(yōu)良的抗拉沖擊強(qiáng)度,可以調(diào)節(jié)各種顏色,不易吸水,室溫下浸水一年,吸濕率不超過(guò)1%,電鍍級(jí)ABS材料是良好的電鍍基材,但是ABS在熱循環(huán)和CASS鹽霧環(huán)境下易發(fā)生氣泡現(xiàn)象,所以在電鍍過(guò)程中需要鍍上銅層,以改善ABS的耐腐蝕性。
PC:具有良好的透光性能,可見(jiàn)光的透射比接近90%,聚碳酸脂的耐沖擊性能比尼龍和聚甲醛高10倍左右,是導(dǎo)熱塑性塑料最好的材料之一,這種塑料可以很好的接受電鍍,噴漆和化學(xué)鍍。
PA:聚酰胺塑料通稱尼龍,是30多年前出現(xiàn)的第一種能承受高負(fù)荷的熱塑性塑料,目前廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、儀表工業(yè)中,以替代不銹鋼和銅、鋁等有色金屬。聚酰胺的機(jī)械性能較好,多用于承受高負(fù)載的部位,可靠性高。
b.皮革:包括真皮和人造革。
c.織物:包括無(wú)紡布、針織物、化纖和天然纖維等。
1.2 汽車外飾
(1)外飾件種類:
汽車外飾件主要包括前后保險(xiǎn)杠、通風(fēng)蓋板,角飾、門檻等。
(2)外飾件用材料
車用外飾件材料主要有PP、ABS、PA6、PA66、POM、TPV等。外飾件表面大多經(jīng)噴漆處理,當(dāng)然也有電鍍和免噴漆材料,表1是三種材料的物理特性對(duì)比。
(3)內(nèi)外飾件老化的表現(xiàn)。
乘用車車內(nèi)零部件依據(jù)所處環(huán)境受陽(yáng)光影響強(qiáng)烈程度不同,受光、熱的影響情況也不相同,一般的零部件老化后性能會(huì)有如下改變。
1.零部件表面出現(xiàn)龜裂、粉化、變形、斑點(diǎn)、發(fā)白、起泡等影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量的缺陷。
2.物理性能改變:內(nèi)外飾材料發(fā)生降解和交連反應(yīng),將影響其本身的物理特性,造成分子排布發(fā)生變化,如不飽和鍵斷裂。分子排布變化則會(huì)影響材料的密度、溫度、熔點(diǎn)、溶解度、玻璃化溫度、導(dǎo)熱系數(shù)等。
3.機(jī)械性能
材料會(huì)發(fā)生降解反應(yīng)及交連反應(yīng),會(huì)影響其硬度、拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲模量、彈性模量、表面涂層或者電鍍層的附著力,造成漆面鍍層剝離或者脫落
4.電性能:
內(nèi)外飾材料發(fā)生降解反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致其絕緣性能、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和擊穿電壓等性能發(fā)生變化。
2 內(nèi)、外飾件耐光老化性能的實(shí)驗(yàn)方法
目前,內(nèi)外飾的整車開(kāi)發(fā)進(jìn)程會(huì)采用兩種實(shí)驗(yàn)方案,即自然氣候曝露老化法和人工老化加速實(shí)驗(yàn)??傮w來(lái)說(shuō),兩種試驗(yàn)方法各有優(yōu)點(diǎn),人工加速老化的重現(xiàn)性更好,周期更短,操作方便,根據(jù)受陽(yáng)光影響的程度,實(shí)驗(yàn)安排實(shí)驗(yàn)的時(shí)間也不同,缺點(diǎn)是只能模擬有限的幾個(gè)變量,不能完全復(fù)現(xiàn)汽車零部件在自然環(huán)境下的老化狀況,有時(shí)候結(jié)果并不可靠。
自然暴曬老化試驗(yàn)接近汽車使用的實(shí)際情況,可以模擬車輛在使用過(guò)程中的多種環(huán)境因素,試驗(yàn)結(jié)果比較可靠,但是試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng),重現(xiàn)性較差。
由于自然暴露可操作性差,時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn),對(duì)于現(xiàn)在車企來(lái)說(shuō),項(xiàng)目進(jìn)程壓縮緊迫,自然暴露實(shí)驗(yàn)滿足不了項(xiàng)目時(shí)間需求,所以多用人工加速老化實(shí)驗(yàn)對(duì)材料進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn),目前人工老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛的有氙弧燈和熒光紫外燈。
氙弧燈的紫外線光譜和可見(jiàn)光譜與太陽(yáng)光譜十分接近,是現(xiàn)有人工光源中最接近太陽(yáng)光譜的,模擬性較好,故實(shí)驗(yàn)室多用氙弧燈給零件做老化實(shí)驗(yàn)。
直接來(lái)自氙燈的輻射中含有大量短波紫外線,必須經(jīng)過(guò)濾光器的過(guò)濾來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)所需的光譜能量分布,表2表3為兩種常用的配置不同的濾光器的氙弧燈光譜功率分布。
零部件在接受耐光老化試驗(yàn)時(shí),理論上是需要采用完整的零件進(jìn)行試驗(yàn),要求表面不存在影響產(chǎn)品外觀的缺陷,若無(wú)法直接使用零部件時(shí),則需要從零件的陽(yáng)光暴露面選擇相對(duì)平整的部分制取試驗(yàn)樣件,尺寸約為70mm×150mm(表4)。
乘用車車內(nèi)零部件依據(jù)所處的的環(huán)境受光照影響的程度不同,其耐光老化實(shí)驗(yàn)周期也不一致,目前國(guó)內(nèi)主流主機(jī)廠對(duì)外飾陽(yáng)光直射區(qū)域零部件耐光老化周期要求2500h小時(shí)左右,受陽(yáng)光影響不大或者不受陽(yáng)光直射的內(nèi)飾件,其耐光老化要求實(shí)驗(yàn)周期在300h左右。
3 典型的零部件老化案例分析
引起內(nèi)外飾老化的原因很多種,除了有材料配方、材料的選取以及生產(chǎn)工藝的影響外,還與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)包括試驗(yàn)參數(shù)的制定及試驗(yàn)過(guò)程的規(guī)范、結(jié)果評(píng)價(jià)的科學(xué)性等多方因素有關(guān),下文介紹一些典型的內(nèi)、外飾老化問(wèn)題分析。
3.1 玻璃后門鏈接銷(連接玻璃升降器)耐熱老化發(fā)黃變色
玻璃連接銷是串聯(lián)玻璃和玻璃升降器的緊固件,玻璃在升降時(shí)連接銷受很大的負(fù)載,所以選擇了強(qiáng)度較高的材料PA6,夏季車門內(nèi)部溫度很高,需要測(cè)試連接銷在極限高溫環(huán)境下的老化性能,保證連接銷各項(xiàng)物理性能均能滿足功能要求。
試驗(yàn)條件:在溫度(23±2℃)相對(duì)濕度:(50±5)%2小時(shí)
試驗(yàn)方法描述:在90℃的環(huán)境箱內(nèi)保持500h
由圖1可知,樣件已經(jīng)完全發(fā)黃變色,不滿足試驗(yàn)判定要求。
原因分析:
1.尼龍是聚酰胺,聚酰胺分子結(jié)構(gòu)里面有酰胺鍵,里面的C=O
為不飽和鍵,容易被氧化導(dǎo)致材料發(fā)黃變色。
2.空氣中含有水和氧氣,PA極易吸水,在高溫環(huán)境下,水和氧氣共同作用氧化聚酰胺中的活潑化學(xué)鍵導(dǎo)致材料變性,發(fā)黃。
改進(jìn)方案:1.在原材料中添加抗氧化劑,防止PA6在高溫下受水和氧氣的作用下發(fā)黃。
2.對(duì)于一些工程塑料,光熱影響完全不發(fā)黃是做不到的,對(duì)于一些非外觀的功能件,可以在老化試驗(yàn)后重新測(cè)試材料的物性,如果性能改變不大,那么該材料依舊可以被認(rèn)可。
3.2 徽標(biāo)面板老化失去光澤
徽標(biāo)面板作為一個(gè)外飾件,所處的位置在太陽(yáng)直射區(qū)域,水氣灰塵,陽(yáng)光紫外線都能直接作用在徽標(biāo)上。
問(wèn)題:市場(chǎng)反饋發(fā)現(xiàn)有些徽標(biāo)在使用1年后出現(xiàn)光去光澤,局部腐蝕的情況,影響徽標(biāo)表觀質(zhì)量。
舊件收集后確認(rèn)故障狀態(tài),發(fā)現(xiàn)標(biāo)牌局部出現(xiàn)灼蝕的小孔洞,大面積失去光澤。
1.汽車在使用壽命中會(huì)遇到各種極端狀態(tài),酸性鹽霧等化學(xué)微粒附著在汽車表面,造成漆面腐蝕。
2.汽車在淋雨或者洗車過(guò)后,表面會(huì)存在微小水滴,水滴附著的表面在陽(yáng)光直射下會(huì)形成透鏡效應(yīng),聚集日光,造成某一點(diǎn)溫度急劇上升,甚至能達(dá)到800-1000攝氏度,高溫會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電鍍涂層。
措施制定:1.引導(dǎo)顧客在下雨或者洗車之后要需要擦干車身,不要在車身未干情況下對(duì)車輛劇烈暴曬。
1.對(duì)舊件的電鍍銅層分析,電鍍件銅層厚度會(huì)影響到零件的耐熱性能及耐腐蝕性,測(cè)試發(fā)現(xiàn)銅層厚度不達(dá)標(biāo),要求供應(yīng)商調(diào)整電鍍工藝,將銅層厚度調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。
4 汽車內(nèi)外飾件的預(yù)防與改進(jìn)
汽車內(nèi)外飾材料的選取需要滿足設(shè)計(jì)初期對(duì)零件的定義,像前后保險(xiǎn)杠、通風(fēng)蓋板、天窗等太陽(yáng)直射區(qū)域,需要選取耐光老化特性良好的材料,必要時(shí)對(duì)零件表作電鍍或者噴漆處理,像太陽(yáng)斜射或者不受陽(yáng)光影響的車身內(nèi)部,可以對(duì)零件的耐光老化要求適當(dāng)放寬,以節(jié)省整車開(kāi)發(fā)成本。
企業(yè)內(nèi)部應(yīng)該建立零件老化的FEMA庫(kù),收集各類的耐光老化問(wèn)題,并且針對(duì)問(wèn)題提供改善方案、研究深層次老化現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí),需要將人工實(shí)驗(yàn)的老化結(jié)果和整車戶外暴曬實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)分析對(duì)比,再根據(jù)市場(chǎng)反饋的一些失效問(wèn)題結(jié)合考慮,不斷的完善企業(yè)內(nèi)部的老化標(biāo)準(zhǔn)。