王 亮， 閻志敏， 杜國毅， 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，國Ⅵ標準的正式頒布對燃油蒸發(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，其各項性能決定了污染物排放是否達標[2]。同時，碳罐的承壓爆破性能也是關鍵的性能指標，因為其不僅關系到碳罐在工作過程中的吸附和脫附能力，而且關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、自潤滑性、電絕緣性及優(yōu)異的力學性能被廣泛地應用在電子電器、汽車、航空、航天等高新技術(shù)領域，是當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。

為獲取碳罐設計的最佳方案，筆者以PA作為基體材料、玻璃纖維作為增強材料，通過爆破實驗研究了不同配方材料和不同焊接工藝對碳罐耐壓強度的影響。

1 實驗部分

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，重慶國際復合材料有限公司；

增韌劑，N413A，寧波能之光新材料科技股份有限公司；

有機黑色粉、無機黑色粉、抗氧劑，市售。

1.2 主要設備及儀器

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

電子天平，XS104型，梅特勒-托利多國際有限公司；

游標卡尺，0～200 mm，桂林可立德精密儀器有限公司；

電子沖擊試驗機，B5102.202型，德國茲韋克羅睿集團；

電子萬能材料試驗機，BTC-FR0C0TH.A50型，德國茲韋克羅睿集團；

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 玻璃纖維增強復合材料配方設計

碳罐原料的配方見表1。配方1為PA6、玻璃纖維和無機黑色粉組成的玻璃纖維增強材料基礎配方；配方2在配方1基礎上將無機黑色粉更換為有機黑色粉以調(diào)整結(jié)晶溫度；配方3通過改變無機和有機黑色粉的比例來調(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)晶度降低對材料性能的影響[8-9]；配方5通過引入增韌劑，考察其對材料剛性及韌性的影響；配方6至配方8則是將PA6換為PA66，用于對比PA6與PA66基體復合材料的性能差異。

表1 碳罐原料配方

1.3.2 玻璃纖維增強復合材料的制備

(1) 制備前準備。

取適量PA材料放置于電加熱干燥箱，110 ℃烘干去除水分，雙螺桿擠出機和注塑機預熱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個配方進行混合，待混合均勻后加入到雙螺桿擠出機中，經(jīng)螺桿機械共混、熔融塑化、擠出、水槽冷卻、切粒后制得玻璃纖維增強復合材料。

(3) 注塑成型。

玻璃纖維增強復合材料粒子經(jīng)電加熱干燥箱110 ℃烘干去除水分后，加入到預設好的臥式注塑機中制成標準測試樣條待測試。

1.4 測試與表征

采用電子沖擊試驗機按照ISO 179-1—2010 《塑料 擺式?jīng)_擊性能的測定 第1部分：非機械沖擊試驗》進行試樣缺口沖擊性能測試，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，缺口深度為2 mm，測試溫度為23 ℃；采用電子萬能材料試驗機按照ISO 178—2012 《塑料 彎曲性能的測定》進行試樣彎曲性能測試，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，加載速度為2 mm/min；采用電子萬能材料試驗機按照ISO 527-2—2012 《塑料 拉伸性能測試方法》進行試樣拉伸性能測試，樣條尺寸為170 mm×10 mm×4 mm，細頸處寬度為10 mm，以拉伸速度為5 mm/min測試試樣的拉伸強度，采用拉伸速度為1 mm/min測試試樣的拉伸模量。

1.5 爆破盒焊接和爆破實驗

爆破壓力測試是一種測試焊接件性能的有效手段，測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后進行爆破實驗，以材料被從焊接位置爆開的最大氣壓強作為其爆破強度。焊接和爆破實驗在自制的爆破盒制件上進行，焊接深度在0.5～3.0 mm直接進行調(diào)試，焊接面積為7.6 cm2。

1.6 碳罐的焊接和爆破實驗

碳罐由本體和端蓋經(jīng)振動摩擦焊接而成，焊接強度通常由爆破實驗來評估。爆破實驗過程為：

(1) 通過電腦控制的爆破試驗臺發(fā)出信號給水箱里的進水管，進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管口，留一個進水的管口，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 配方對材料性能的影響

各配方試樣的力學性能數(shù)據(jù)見表2。

表2 試樣的力學性能數(shù)據(jù)

對比表2中配方1～3的數(shù)據(jù)可以看出，有機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在熔接線處有更多的時間進行分子鏈化學鍵連接，導致熔接線強度保持率(熔接線強度與拉伸強度的比值)有所提高，從而可以為材料提供更好的加工窗口。此外，有機黑色粉引入后結(jié)晶度略有減小(結(jié)晶度可通過熱焓來比較，熱焓越大結(jié)晶度相對更高)，材料剛性略有降低。對比配方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性能，同時熔接線強度保持率下降。對比配方3和配方5可以看出：引入增韌劑后材料韌性(缺口沖擊強度)提高，但配方體系的相容性變差，所以熔接線強度保持率有所下降。配方6、配方7與配方1～3的組成和結(jié)果類似——引入有機黑色粉后結(jié)晶溫度略有降低，使得注塑成型冷卻時在熔接線處有更多的時間進行分子鏈化學鍵連接，與未添加有機黑色粉時相比，樹脂在相同溫度下可以更好地熔合，熔接線強度保持率上升。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，熔接線強度保持率有所下降。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)總結(jié)：有機黑色粉的引入提升熔接線強度保持率，增韌劑的引入減小熔接線強度保持率。

2.2 結(jié)構(gòu)設計對焊接強度的影響

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

表3 23 ℃環(huán)境下爆破強度與材料組成、焊接深度的關系

2.3 焊接工藝對焊接強度的影響

根據(jù)上述實驗數(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，焊縫的焊接強度對振動頻率和振幅并不敏感。對于玻璃纖維增強PA材料，應盡可能限制或減少熔體流動，這是因為熔體的橫向流動(垂直于玻璃纖維方向的流動)會導致玻璃纖維排布方向發(fā)生改變，從而使焊縫的焊接強度降低。焊接壓力過大會導致大量熔體流出焊縫區(qū)域，熔體層下方的冷態(tài)塑料進行粘接形成冷焊縫，大大減小焊接強度。

表4 頻率、振幅和焊接壓力對零件失效壓力的影響

3 結(jié)語

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

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

(2) 當加入增韌劑后，會破壞樹脂基體與填充物間的相容性,導致焊縫的焊接強度下降。

(3) 當焊接深度在1.5 mm時，焊接強度最大，碳罐的承壓爆破性能最佳。

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