藍(lán)先，盧鴻劍，許立

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

石墨烯是一種由碳原子以sp雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納米加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。汽車保險(xiǎn)杠通常使用滑石粉填充改性PP材料進(jìn)行加工和制造，不含有石墨烯。由于石墨烯具備的各項(xiàng)特殊性能，可將其應(yīng)用于對(duì)PP的力學(xué)性能、電性能、結(jié)晶性能及其他性能改善，因此，探索石墨烯微片填充到PP材料進(jìn)行改性并制造出汽車保險(xiǎn)杠的量產(chǎn)可行性，開展滑石粉填充改性PP材料汽車保險(xiǎn)杠和石墨烯微片填充PP材料汽車保險(xiǎn)杠的對(duì)比，挖掘石墨烯微片填充PP材料應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠的優(yōu)勢(shì)，都具有填補(bǔ)行業(yè)空白的意義。

本文利用石墨烯的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等優(yōu)異特性，開發(fā)出一款石墨烯微片PP材料用于汽車保險(xiǎn)杠，對(duì)薄壁滑石粉填充PP材料汽車保險(xiǎn)杠與薄壁石墨烯微片PP材料汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)石墨烯微片PP的制件更輕，可以實(shí)現(xiàn)零部件輕量化，并將其應(yīng)用在現(xiàn)有的薄壁汽車保險(xiǎn)杠模具和工藝上，效果顯著。

1 石墨烯微片PP材料開發(fā)驗(yàn)證

石墨烯微片PP材料的性能指標(biāo)由主機(jī)廠確定，目標(biāo)應(yīng)用零件是汽車保險(xiǎn)杠，其樣料開發(fā)過程按照材料供應(yīng)商正常的材料開發(fā)步驟進(jìn)行，其驗(yàn)證按照主機(jī)廠的要求開展。

1.1 石墨烯微片PP材料性能指標(biāo)的確定

對(duì)現(xiàn)有的汽車保險(xiǎn)杠上使用的普通滑石粉填充PP材料和薄壁汽車保險(xiǎn)杠上使用的滑石粉填充PP材料性能進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果見表1。后者比前者的密度更小，拉伸屈服應(yīng)力、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度、熔體質(zhì)量流動(dòng)速率的要求更高，開發(fā)難度系數(shù)更大。如果新開發(fā)的石墨烯微片PP材料能夠達(dá)到這個(gè)最嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)，則開發(fā)低技術(shù)指標(biāo)的石墨烯微片PP材料更容易成功。因此，決定選用薄壁汽車保險(xiǎn)杠上使用的滑石粉填充PP材料性能指標(biāo)作為石墨烯微片PP材料性能指標(biāo)。

表1 普通和薄壁滑石粉填充PP材料性能對(duì)比

1.2 石墨烯微片PP材料的開發(fā)

熔融共混法是一種使聚合物在熔體狀態(tài)下并借助外力將兩種或多種物質(zhì)混合均勻的方法，也是聚丙烯塑料擠出造粒和注塑成型的最常用的手段。由于已經(jīng)量產(chǎn)的石墨烯大多數(shù)是石墨烯微片，并不是嚴(yán)格意義上的石墨烯，為確保量產(chǎn)新材料的原材料來源充足，需采用可大量供應(yīng)的石墨烯微片加入到PP材料中熔融共混改性，制造出石墨烯微片PP材料。

1.3 石墨烯微片PP材料測(cè)試

石墨烯微片PP材料試驗(yàn)按表1的薄壁汽車保險(xiǎn)杠上使用的滑石粉填充PP材料性能指標(biāo)來制定，并按表1的測(cè)試條件和要求進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表2。

由表2可知，新開發(fā)的石墨烯微片PP材料滿足要求。圖1是石墨烯微片PP材料實(shí)物。

表2 石墨烯微片PP材料測(cè)試結(jié)果

圖1 石墨烯微片PP材料實(shí)物

2 汽車保險(xiǎn)杠開發(fā)驗(yàn)證

全新的汽車保險(xiǎn)杠開發(fā)和驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，文中擬采用現(xiàn)有的汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)、模具和工藝來開發(fā)和驗(yàn)證，以便縮短其周期和實(shí)現(xiàn)材料等效替代。

2.1 汽車保險(xiǎn)杠試制方案確定

為減少改動(dòng)量，擬采用不改變現(xiàn)有的汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)、模具和工藝，僅通過更換材料的方案來試制汽車保險(xiǎn)杠。

2.1.1 汽車保險(xiǎn)杠模具的選擇

由于薄壁汽車保險(xiǎn)杠模具結(jié)構(gòu)比普通汽車保險(xiǎn)杠模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，選取薄壁汽車保險(xiǎn)杠模具結(jié)構(gòu)來試制汽車保險(xiǎn)杠，意味著選取普通汽車保險(xiǎn)杠模具結(jié)構(gòu)來成功試制汽車保險(xiǎn)杠更加容易。因此，擬采用現(xiàn)有的薄壁汽車保險(xiǎn)杠模具來試制新材料的汽車保險(xiǎn)杠。

2.1.2 汽車保險(xiǎn)杠工藝的選擇

由于薄壁汽車保險(xiǎn)杠工藝比普通汽車保險(xiǎn)杠工藝的難度系數(shù)更大，選取薄壁汽車保險(xiǎn)杠模具工藝來試制汽車保險(xiǎn)杠，意味著選取普通汽車保險(xiǎn)杠工藝來成功試制汽車保險(xiǎn)杠更加容易。因此，擬采用現(xiàn)有的薄壁汽車保險(xiǎn)杠工藝來試制新材料的汽車保險(xiǎn)杠。

2.2 汽車保險(xiǎn)杠試制

將薄壁滑石粉填充PP材料更換成薄壁石墨烯微片PP材料，采用現(xiàn)有的汽車保險(xiǎn)杠模具和工藝來試制同原來結(jié)構(gòu)形狀完全相同的汽車保險(xiǎn)杠。

2.2.1 薄壁石墨烯微片PP材料預(yù)處理

在80～95 ℃條件下對(duì)石墨烯微片PP材料烘干，首次料烘時(shí)長(zhǎng)為3 h，以后在注塑過程中連續(xù)烘料。

2.2.2 汽車保險(xiǎn)杠試制

使用薄壁石墨烯微片PP材料試制汽車保險(xiǎn)杠在以下注塑設(shè)備、注塑參數(shù)和工藝條件下進(jìn)行。

2.2.2.1 注塑設(shè)備

選用寧波海天集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的T 2200注塑設(shè)備。

2.2.2.2 注塑參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品的外觀和性能情況，設(shè)定的注塑參數(shù)見表3和表4。注塑工藝的轉(zhuǎn)保條件的位置為75 mm，時(shí)間為4.8 s；烘料溫度為80～95 ℃，首次烘料3 h，以后在注塑過程中則連續(xù)烘料。此零件的注塑周期為(80±5)s,其中射出時(shí)間為(20±3)s、保壓一時(shí)間為(5±2)s、保壓二時(shí)間為(2±2)s、冷卻時(shí)間為(35±5)s，余下時(shí)間為合模、合閘、高壓、卸壓、開閘、開模、頂針退、取件的時(shí)間。

表3 料筒溫度 單位:℃

表4 注塑工藝的設(shè)定

此注塑模具采用了熱流道，共35 組加熱，溫度均為(230±10) ℃，其溫控針閥控制時(shí)間包括射出延時(shí)、射出時(shí)間、保壓延時(shí)、保壓時(shí)間，均根據(jù)零件成型工藝需要確定，并與滑石粉填充PP材料制件相同，未做調(diào)整。

2.2.2.3 注塑并噴漆后的零件

注塑并噴漆后，零件表面無流痕等不良缺陷，外觀整潔，滿足產(chǎn)品的外觀要求。圖2為石墨烯微片PP材料試制的薄壁保險(xiǎn)杠樣件。

圖2 石墨烯微片PP材料試制的薄壁保險(xiǎn)杠樣件

2.3 汽車保險(xiǎn)杠零部件測(cè)試驗(yàn)證

針對(duì)石墨烯微片PP材料試制的薄壁保險(xiǎn)杠樣件，根據(jù)主機(jī)廠的零部件試驗(yàn)開展零部件外觀、性能等測(cè)試驗(yàn)證。

2.3.1 汽車保險(xiǎn)杠零部件測(cè)試要求的確定

由于開發(fā)薄壁石墨烯微片PP材料對(duì)照的是薄壁汽車保險(xiǎn)杠的材料要求而開發(fā)，因此采用主機(jī)廠對(duì)薄壁汽車保險(xiǎn)杠的零部件試驗(yàn)大綱來開展相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試項(xiàng)目分為兩大類，即噴漆前汽車保險(xiǎn)杠零部件測(cè)試驗(yàn)證和噴漆后汽車保險(xiǎn)杠零部件測(cè)試驗(yàn)證。

2.3.2 噴漆前汽車保險(xiǎn)杠零部件測(cè)試驗(yàn)證

噴漆前汽車保險(xiǎn)杠經(jīng)過《非噴漆件、皮紋件產(chǎn)品性能》試驗(yàn)項(xiàng)目的6項(xiàng)測(cè)試，滿足《前蒙皮總成技術(shù)要求》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，通過驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 噴漆前汽車保險(xiǎn)杠零部件測(cè)試驗(yàn)證

2.3.3 噴漆后汽車保險(xiǎn)杠零部件測(cè)試驗(yàn)證

噴漆后汽車保險(xiǎn)杠經(jīng)過《噴漆件產(chǎn)品性能》試驗(yàn)項(xiàng)目的6項(xiàng)測(cè)試，滿足《商用車外飾噴漆塑料零件技術(shù)要求》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，通過驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 噴漆后汽車保險(xiǎn)杠零部件測(cè)試驗(yàn)證

3 薄壁滑石粉填充PP材料汽車保險(xiǎn)杠與薄壁石墨烯微片PP材料汽車保險(xiǎn)杠的對(duì)比

表7列出了薄壁滑石粉填充PP材料汽車保險(xiǎn)杠與薄壁石墨烯微片PP材料汽車保險(xiǎn)杠的質(zhì)量對(duì)比結(jié)果。

表7 薄壁滑石粉填充PP材料汽車保險(xiǎn)杠與薄壁石墨烯微片PP材料汽車保險(xiǎn)杠的質(zhì)量對(duì)比結(jié)果

由表7可知，不同材料供應(yīng)商提供的石墨烯微片PP材料應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠均能實(shí)現(xiàn)減重效果，其中A材料供應(yīng)商提供的石墨烯微片PP材料應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠實(shí)現(xiàn)減重12%，B材料供應(yīng)商提供的石墨烯微片PP材料應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠實(shí)現(xiàn)減重5.9%，滿足主機(jī)廠材料等效替代輕量化的要求，與滑石粉填充PP制造的汽車保險(xiǎn)杠相比較，石墨烯微片PP的制件更輕。

4 結(jié)束語(yǔ)

材料替代、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造工藝是汽車輕量化的3個(gè)重要途徑。其中，材料替代，即使用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)材料對(duì)汽車輕量化的幫助最為明顯。石墨烯微片PP材料用于汽車保險(xiǎn)杠，可以實(shí)現(xiàn)零部件輕量化，并能夠在不改變現(xiàn)有零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具和工藝條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)滑石粉填充PP材料的等效替代和批量生產(chǎn)，完全滿足主機(jī)廠的各項(xiàng)開發(fā)要求，值得推廣應(yīng)用。