王 亮， 閻志敏， 杜國(guó)毅， 張海生， 姚坤成，陳劍銳， 許建穩(wěn)， 蔡 青

(1．廊坊華安汽車裝備有限公司，河北廊坊 065000；2．上海普利特復(fù)合材料股份有限公司，上海 201707)

0 前言

節(jié)能減排是汽車行業(yè)的重要目標(biāo)，國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的正式頒布對(duì)燃油蒸發(fā)排放限值和加油過程中污染物排放限值提出了更高的要求[1]。碳罐作為燃油系統(tǒng)的核心部件，其各項(xiàng)性能決定了污染物排放是否達(dá)標(biāo)[2]。同時(shí)，碳罐的承壓爆破性能也是關(guān)鍵的性能指標(biāo)，因?yàn)槠洳粌H關(guān)系到碳罐在工作過程中的吸附和脫附能力，而且關(guān)系到碳罐在使用過程中的安全性[3]。

尼龍(PA)以其良好的耐熱性、耐油性、自潤(rùn)滑性、電絕緣性及優(yōu)異的力學(xué)性能被廣泛地應(yīng)用在電子電器、汽車、航空、航天等高新技術(shù)領(lǐng)域，是當(dāng)今世界用量最大的工程塑料之一[4-5]。碳罐作為燃油系統(tǒng)的重要部件，不僅要能在-40～140 ℃正常使用，而且要耐砂石沖擊、耐鹽霧腐蝕,以及耐各種油、洗滌劑的侵蝕[6-7]。綜合以上要求，PA材料是碳罐原料的首選。

為獲取碳罐設(shè)計(jì)的最佳方案，筆者以PA作為基體材料、玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，通過爆破實(shí)驗(yàn)研究了不同配方材料和不同焊接工藝對(duì)碳罐耐壓強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

尼龍6(PA6)，YH800，岳化化工股份有限公司；

尼龍66(PA66)，EPR27，神馬工程塑料有限責(zé)任公司；

透明尼龍(PA6I)，TM01，山東東辰工程塑料；

玻璃纖維，301HP，重慶國(guó)際復(fù)合材料有限公司；

增韌劑，N413A，寧波能之光新材料科技股份有限公司；

有機(jī)黑色粉、無(wú)機(jī)黑色粉、抗氧劑，市售。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)，TSE-35/600-22-44型，南京瑞亞擠出機(jī)械制造有限公司；

電子天平，XS104型，梅特勒-托利多國(guó)際有限公司；

游標(biāo)卡尺，0～200 mm，桂林可立德精密儀器有限公司；

電子沖擊試驗(yàn)機(jī)，B5102.202型，德國(guó)茲韋克羅睿集團(tuán)；

電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，BTC-FR0C0TH.A50型，德國(guó)茲韋克羅睿集團(tuán)；

差示掃描量熱儀，DSC/DSC 8000型，珀金埃爾默股份有限公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料配方設(shè)計(jì)

碳罐原料的配方見表1。配方1為PA6、玻璃纖維和無(wú)機(jī)黑色粉組成的玻璃纖維增強(qiáng)材料基礎(chǔ)配方；配方2在配方1基礎(chǔ)上將無(wú)機(jī)黑色粉更換為有機(jī)黑色粉以調(diào)整結(jié)晶溫度；配方3通過改變無(wú)機(jī)和有機(jī)黑色粉的比例來(lái)調(diào)整結(jié)晶溫度；配方4通過部分改變基體組成，增加了PA6I以考察結(jié)晶度降低對(duì)材料性能的影響[8-9]；配方5通過引入增韌劑，考察其對(duì)材料剛性及韌性的影響；配方6至配方8則是將PA6換為PA66，用于對(duì)比PA6與PA66基體復(fù)合材料的性能差異。

表1 碳罐原料配方

1.3.2 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備

(1) 制備前準(zhǔn)備。

取適量PA材料放置于電加熱干燥箱，110 ℃烘干去除水分，雙螺桿擠出機(jī)和注塑機(jī)預(yù)熱0.5 h后使用。

(2) 雙螺桿擠出造粒。

取烘干水分后的PA材料按照表1所提供的8個(gè)配方進(jìn)行混合，待混合均勻后加入到雙螺桿擠出機(jī)中，經(jīng)螺桿機(jī)械共混、熔融塑化、擠出、水槽冷卻、切粒后制得玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

(3) 注塑成型。

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粒子經(jīng)電加熱干燥箱110 ℃烘干去除水分后，加入到預(yù)設(shè)好的臥式注塑機(jī)中制成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條待測(cè)試。

1.4 測(cè)試與表征

采用電子沖擊試驗(yàn)機(jī)按照ISO 179-1—2010 《塑料 擺式?jīng)_擊性能的測(cè)定 第1部分：非機(jī)械沖擊試驗(yàn)》進(jìn)行試樣缺口沖擊性能測(cè)試，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，缺口深度為2 mm，測(cè)試溫度為23 ℃；采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)按照ISO 178—2012 《塑料 彎曲性能的測(cè)定》進(jìn)行試樣彎曲性能測(cè)試，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，加載速度為2 mm/min；采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)按照ISO 527-2—2012 《塑料 拉伸性能測(cè)試方法》進(jìn)行試樣拉伸性能測(cè)試，樣條尺寸為170 mm×10 mm×4 mm，細(xì)頸處寬度為10 mm，以拉伸速度為5 mm/min測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度，采用拉伸速度為1 mm/min測(cè)試試樣的拉伸模量。

1.5 爆破盒焊接和爆破實(shí)驗(yàn)

爆破壓力測(cè)試是一種測(cè)試焊接件性能的有效手段，測(cè)試方法一般是向焊接部件內(nèi)注入空氣，增加壓力直到部件失效(一定壓力下保壓5 min)。焊接之后放置24 h后進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)，以材料被從焊接位置爆開的最大氣壓強(qiáng)作為其爆破強(qiáng)度。焊接和爆破實(shí)驗(yàn)在自制的爆破盒制件上進(jìn)行，焊接深度在0.5～3.0 mm直接進(jìn)行調(diào)試，焊接面積為7.6 cm2。

1.6 碳罐的焊接和爆破實(shí)驗(yàn)

碳罐由本體和端蓋經(jīng)振動(dòng)摩擦焊接而成，焊接強(qiáng)度通常由爆破實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估。爆破實(shí)驗(yàn)過程為：

(1) 通過電腦控制的爆破試驗(yàn)臺(tái)發(fā)出信號(hào)給水箱里的進(jìn)水管，進(jìn)水管與碳罐一端用快插方式或者卡箍連接，堵住其余的管口；(2) 密封碳罐的其余兩個(gè)管口，留一個(gè)進(jìn)水的管口，不插入快插，電腦控制放水；(3) 待管中可看到水后，電腦指示水壓清零，連接碳罐并關(guān)閉水箱；(4) 以0.13 MPa條件保壓1 min后，繼續(xù)以0.10 MPa/s的速度上升，直至碳罐爆炸，記錄失效壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方對(duì)材料性能的影響

各配方試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2。

表2 試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

對(duì)比表2中配方1～3的數(shù)據(jù)可以看出，有機(jī)黑色粉的引入使材料結(jié)晶溫度下降，所以注塑成型冷卻時(shí)在熔接線處有更多的時(shí)間進(jìn)行分子鏈化學(xué)鍵連接，導(dǎo)致熔接線強(qiáng)度保持率(熔接線強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度的比值)有所提高，從而可以為材料提供更好的加工窗口。此外，有機(jī)黑色粉引入后結(jié)晶度略有減小(結(jié)晶度可通過熱焓來(lái)比較，熱焓越大結(jié)晶度相對(duì)更高)，材料剛性略有降低。對(duì)比配方1和配方4，引入PA6I后結(jié)晶溫度略有下降，但結(jié)晶度明顯降低，從而影響整體的力學(xué)性能，同時(shí)熔接線強(qiáng)度保持率下降。對(duì)比配方3和配方5可以看出：引入增韌劑后材料韌性(缺口沖擊強(qiáng)度)提高，但配方體系的相容性變差，所以熔接線強(qiáng)度保持率有所下降。配方6、配方7與配方1～3的組成和結(jié)果類似——引入有機(jī)黑色粉后結(jié)晶溫度略有降低，使得注塑成型冷卻時(shí)在熔接線處有更多的時(shí)間進(jìn)行分子鏈化學(xué)鍵連接，與未添加有機(jī)黑色粉時(shí)相比，樹脂在相同溫度下可以更好地熔合，熔接線強(qiáng)度保持率上升。配方8中，增韌劑的引入使材料剛性下降、韌性提高，但由于配方整體相容性變差，熔接線強(qiáng)度保持率有所下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)：有機(jī)黑色粉的引入提升熔接線強(qiáng)度保持率，增韌劑的引入減小熔接線強(qiáng)度保持率。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)焊接強(qiáng)度的影響

爆破盒的爆破強(qiáng)度與材料組成、焊接深度的關(guān)系見表3。對(duì)比配方3和配方5，增韌劑的加入使得爆破強(qiáng)度降低；對(duì)比配方1、配方2、配方3、配方6、配方7，適當(dāng)降低材料結(jié)晶溫度，增加分子鏈化學(xué)鍵連接的時(shí)間，有助于提升爆破強(qiáng)度。對(duì)比配方1和配方4，樹脂基體改變后結(jié)晶度降低，整體爆破強(qiáng)度也下降。上述結(jié)論都驗(yàn)證了材料分析結(jié)果。對(duì)比所有配方在不同焊接深度時(shí)的爆破強(qiáng)度，可以看出焊接深度為1.2～2.2 mm時(shí)爆破強(qiáng)度相對(duì)較高，焊接深度在1.5 mm時(shí)爆破強(qiáng)度最大。

表3 23 ℃環(huán)境下爆破強(qiáng)度與材料組成、焊接深度的關(guān)系

2.3 焊接工藝對(duì)焊接強(qiáng)度的影響

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過固定焊接面結(jié)構(gòu)和焊接厚度，即同一配方條件下(本文選取配方2)可以考察不同頻率、振幅和焊接壓力對(duì)零件失效壓力的影響(見表4)。由表4可以看出，焊縫的焊接強(qiáng)度對(duì)振動(dòng)頻率和振幅并不敏感。對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)PA材料，應(yīng)盡可能限制或減少熔體流動(dòng)，這是因?yàn)槿垠w的橫向流動(dòng)(垂直于玻璃纖維方向的流動(dòng))會(huì)導(dǎo)致玻璃纖維排布方向發(fā)生改變，從而使焊縫的焊接強(qiáng)度降低。焊接壓力過大會(huì)導(dǎo)致大量熔體流出焊縫區(qū)域，熔體層下方的冷態(tài)塑料進(jìn)行粘接形成冷焊縫，大大減小焊接強(qiáng)度。

表4 頻率、振幅和焊接壓力對(duì)零件失效壓力的影響

3 結(jié)語(yǔ)

筆者分別以PA6和PA66為基體材料，玻璃纖維為增強(qiáng)材料，考察了色粉、增韌劑及不同焊接工藝對(duì)碳罐承壓爆破性能的影響，通過研究得出以下結(jié)論：

(1) 不同類型色粉對(duì)于材料結(jié)晶的作用不同，有機(jī)色粉可使結(jié)晶溫度下降，使試樣的熔接線強(qiáng)度和碳罐的承壓爆破性能都有所提高。

(2) 當(dāng)加入增韌劑后，會(huì)破壞樹脂基體與填充物間的相容性,導(dǎo)致焊縫的焊接強(qiáng)度下降。

(3) 當(dāng)焊接深度在1.5 mm時(shí)，焊接強(qiáng)度最大，碳罐的承壓爆破性能最佳。

(4) 振動(dòng)頻率和振幅對(duì)焊接強(qiáng)度的影響不大，焊接壓力選擇1.4 MPa為宜。