适用于汽车尾门板的热塑性材料力学行为研究

马 秋，宋伟华，梁 娜，李 术，顾鹏云，李淑慧

(1.浙江汽车工程学院，浙江 杭州 310052；2.合肥杰事杰新材料股份有限公司，安徽 合肥 230601；3.浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江 杭州 310052；4.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

适用于汽车尾门板的热塑性材料力学行为研究

马 秋1,3，宋伟华2*，梁 娜2，李 术2，顾鹏云3，李淑慧4

(1.浙江汽车工程学院，浙江 杭州 310052；2.合肥杰事杰新材料股份有限公司，安徽 合肥 230601；3.浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江 杭州 310052；4.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

为研究一种适用于汽车尾门板的热塑性材料，以乙烯 - 辛烯共聚物(POE)为增韧剂，滑石粉为无机填料，通过熔融共混法制备了增强改性聚丙烯(PP/POE-TD)复合材料；考察了不同应变速率和测试温度对材料拉伸强度的影响，以及不同滑石粉含量对材料弯曲模量、冲击强度和线性膨胀系数的影响。结果表明，应变速率提高，复合材料的拉伸强度持续升高，断裂伸长率先升高后下降；拉伸温度降低，复合材料的拉伸强度提高；随着滑石粉含量的增加复合材料弯曲模量升高，冲击强度降低，线性膨胀系数减小；汽车尾门板材料的滑石粉最佳含量为20 %(质量分数，下同)。

热塑性聚烯烃；滑石粉；力学性能；线性膨胀系数

0 前言

目前汽车工业面临着能源危机和环境污染的挑战，国家为此制定出台了相应的法规要求控制燃油及排放，而能耗和尾气排放与汽车质量成线性关系。在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至更低的前提下，轻量化对节能、环保和提升安全性意义重大。

应用轻质材料是汽车轻量化最为直接有效的手段，其包括热成型钢、铝、塑料、复合材料等。热塑性塑料以其质量轻、成本低、环保和耐腐蚀等独特性能，在汽车内饰件、外装件、车身和结构件等方面的应用日益广泛。采用非金属材料制造的汽车尾门具有零部件集成度高、减重明显(40 %以上)、设计自由度高、生产周期短和行人保护能力强等优点，国内外汽车主机厂、零部件公司和材料公司纷纷将全塑尾门作为车身轻量化方案开发的重点。目前全塑尾门在部分外资汽车品牌中已实现量产应用，包括路虎极光、沃尔沃XC60、标致308S、雪铁龙DS6、日产奇骏等。

PP/POE-TD材料具有密度较低、力学性能优异、耐腐蚀、环保、价格低廉以及易于回收利用等特点，广泛应用于汽车内外饰件，也适用于生产汽车尾门[1-5]。本项目主要是以汽车尾门板所用材料PP/POE-TD为研究对象，分析了不同应变速率和测试温度下材料拉伸性能的变化；并考察了不同滑石粉含量对聚丙烯(PP)材料力学性能的影响，通过分析其变形过程中力学性能的变化，获得了滑石粉组分与材料力学性能的耦合行为，为零部件计算机辅助工程(CAE)分析提供了数据基础。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，PP-BX3800、PP-BX3900，工业级，韩国SK株式会社；

滑石粉，AH51210，工业级，粒径为5 μm，辽宁艾海滑石有限公司；

POE，POE 8150，工业级，陶氏化学(中国)有限公司。

1.2 主要设备及仪器

高速混合机，SHR-500A，张家港市永利机械有限公司；

双螺杆挤出机，SJ-42，南京杰亚挤出装备有限公司；

注塑机，HTF90W1，宁波海天塑机集团有限公司；

高速拉伸试验机，HTM2512，德国Zwick公司；

微机控制电子万能(拉力)实验机，CMT4204，深圳新三思材料检测有限公司；

电子悬臂梁冲击实验机，ZBC1400-A，深圳新三思材料检测有限公司；

静态热分析仪，TAM 400A，美国TA仪器。

1.3 样品制备

将牌号分别为PP-BX3800和PP-BX3900的PP以1∶1的质量比混合均匀得PP共混物，并按照表1进行配料，在高速混合机中混合4 min；PP-1～PP4材料经双螺杆挤出机挤出后造粒，挤出温度范围为180～210 ℃；再经注塑机注塑成标准样条后进行测试，注射温度范围为180～210 ℃，注射压力为3.5 MPa，注射速率为35 g/s，注射时间为3 s，保压时间为18 s，冷却时间为15 s，模具温度为25 ℃。

表1 改性PP复合材料配方 %

1.4 性能测试与结构表征

拉伸性能测试：高速拉伸试验按 ISO 527-2：2012进行测试，拉伸速率分别为18、180、1800、18000、180000 mm/min，测试温度为23 ℃；非高速拉伸试验按ISO 527-2：2012进行测试，拉伸速率为50 mm/min，测试温度分别为80、40、23、0、-20、-30、-40 ℃；样条为哑铃形，样条尺寸为170 mm×10 mm×4 mm；

弯曲性能测试：按ISO 178：2010进行测试，弯曲测试速率为2 mm/min，测试温度为23 ℃；样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm；

悬臂梁缺口冲击强度测试：按ISO 180：2000进行测试，冲击能为5.5 J，测试温度为23 ℃；样条为矩形，V形缺口，样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm；

线性膨胀系数测试：按ISO 11359-2：1999测量熔体流动方向(FD)和垂直熔体流动方向(TD)方向上的线性膨胀系数值，测试温度范围为-40～80 ℃，测试样品从弯曲试验测试样条上剪取，样条尺寸为10 mm×5 mm×4 mm。

2 结果与讨论

2.1 应变速率对拉伸行为的影响

在汽车进行结构设计和选材过程中，需要对汽车的碰撞过程进行模拟分析，而车用材料在不同应变速率下的应力 - 应变曲线是汽车碰撞模拟成功的关键[6]。不同应变速率下PP-1材料的拉伸强度和断裂伸长率如图1所示，其中应变速率与拉伸速率的对应关系如表2所示。从图1中可见，随着拉伸速率成倍的提高，拉伸强度持续升高，而断裂伸长率呈先升高后下降的趋势。

表2 应变速率随拉伸速率的变化关系Tab.2 Corresponding relation between strain rate and tensile velocity

图1 不同应变速率下复合材料的拉伸强度和断裂伸长率Fig.1 Tensile strength and elongation at break of the composites at different strain rates

拉伸速率对拉伸强度有着非常重要的影响。塑料属于黏弹性材料，其应力松弛过程对拉伸速率非常敏感。当拉伸速率较小时，分子链有足够的时间重新排列，内部缺陷可以充分发展，因而拉伸速率较小时拉伸强度较低，断裂伸长率较大；而高速拉伸时，高分子链段的运动跟不上外力作用速度，来不及重新取向，则表现为拉伸强度增大，断裂伸长率降低。随着拉伸速率从18 mm/min增加到1800 mm/min，材料的断裂伸长率逐步提高，但当拉伸速率进一步增大时，断裂伸长率又逐步降低。

2.2 测试温度对拉伸力学行为的影响

汽车内、外饰件的使用温度范围一般为-40～80 ℃，因此在该温度范围内对PP-1～PP-4材料进行了拉伸强度测试，其测试结果如表3所示。

表3 不同温度下复合材料的拉伸强度 MPa

环境温度对拉伸强度有着非常重要的影响，PP材料的应力松弛过程对环境温度非常敏感，在力学性能上表现出对温度的依赖性。随着拉伸温度的上升，聚合物材料内部分子链段运动能力增强，同时热膨胀使分子间距离增大，聚合物内部自由体积增大，有利于分子链段的运动，因而材料的拉伸强度随之降低[7]；拉伸温度越高，分子链段取向越充分且分布更加均匀合理，故而拉伸强度越低。而当拉伸温度降低时，分子链段运动会受到一定程度的冻结，抵抗外力的能力变强，拉伸强度提高。

2.3 滑石粉含量对材料力学性能的影响

由表4可知，在本研究的配方体系下，滑石粉含量对材料的拉伸强度影响不大。又因为滑石粉是刚性粒子，在外力作用下不易产生变形，在复合材料中起应力集中的作用，无法终止裂纹，因此材料的断裂伸长率随着滑石粉含量的增加而降低。

表4 滑石粉含量对材料力学性能的影响Tab.4 Effect of talc content on mechanical properties of the materials

高分子的刚性通常用弯曲模量表示，弯曲模量越大，材料刚性越好，反之则刚性差。从表4中可以看出，随着滑石粉含量的增加，材料的弯曲模量逐渐增加。这是因为滑石粉属于片层结构，模量较高，在PP中起到增强作用，宏观表现为材料的弯曲模量提高。

从表4中还可以看出，冲击强度随滑石粉含量的增加而降低。当滑石粉含量从20 %增加到25 %时，材料的冲击强度从22 kJ/m2降低到 20 kJ/m2，但仍保持在较高水准。在材料的冲击断裂过程中，滑石粉的加入对PP分子链松弛有阻碍作用，降低了复合材料的韧性。但在滑石粉含量未超过25 %时，PP、增韧剂与滑石粉的相容性好，相分离时可消耗大量能量，材料的韧性未明显降低。随着滑石粉含量增加到30 %和35 %时，滑石粉在PP基体中的分散均匀性变差，界面缺陷增多，相容性降低，复合材料在受到冲击时，滑石粉易于从PP基体中剥离而产生相分离，宏观表现为产生裂纹，导致体系的冲击强度下降，复合材料变脆。

通过比较PP-1～PP-4的力学性能，并结合汽车尾门板材料的综合性能以及汽车轻量化的要求，滑石粉最佳添加量为20 %。

2.4 滑石粉含量对线性膨胀系数的影响

汽车尾门板材料要求具有较低的线性膨胀系数，由表5可知，随着滑石粉含量的增加，PP改性材料在FD和TD方向上的线性膨胀系数均减小，其中FD方向更小。滑石粉分散在PP基体中，抑制了PP分子链段的热运动，使材料的线性膨胀系数降低。在FD方向上，增韧剂和滑石粉都易发生取向，复合材料在FD方向上的线性膨胀系数较小。在TD方向，增韧剂呈海岛式分散结构，滑石粉均匀地分散在增韧剂、PP基体中[8]，其线性膨胀系数比FD方向大。因此，添加滑石粉是降低PP复合材料线性膨胀系数的有效方法，PP复合材料的线性膨胀系数表现出各向异性。

表5 滑石粉含量对复合材料线性膨胀系数的影响Tab.5 Effect of talc content on linear expansion coefficient of the composites

3 结论

(1)PP/POE-TD复合材料，在高速拉伸下，随着拉伸速率的提高，材料的拉伸强度升高，断裂伸长率先升高后降低；在非高速拉伸下，随着拉伸温度的降低，材料的拉伸强度增大；

(2)随着滑石粉含量的增加复合材料的弯曲模量增大，冲击强度降低，结合汽车尾门板材料的综合性能及汽车轻量化要求，滑石粉的最佳添加量为20 %；

(3)随着滑石粉含量的增加，FD和TD方向上的线性膨胀系数均减小，其中FD方向更小。

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Study on Mechanical Behaviors of Thermoplastic MaterialsUsed for Automobile Rear Door Panels

MA Qiu1,3, SONG Weihua2*, LIANG Na2, LI Shu2, GU Pengyun3, LI Shuhui4

(1.Zhejiang Automotive Engineering Institute, Hangzhou 310052, China; 2.Hefei Genius Advanced Material Co, Ltd,Hefei 230601, China；3. Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co, Ltd, Hangzhou 310052, China；4. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In order to develop a type of thermoplastic materials used for automobile rear door panels, a polypropylene (PP)-based composite was prepared via melt blending by using POE as an impact modifier and talcum powders as an inorganic filler. Effects of stain speed and test temperature on tensile strength and effect of talcum content on mechanical properties and linear expansion coefficient were investigated extensively. The results indicated that tensile strength of the composites increased with an increase of strain rate, but the elongation at break showed an increase at first and then tended to decrease. On the other hand, the tensile strength decreased with increasing test temperature. With increasing content of talcum powders the flexural modulus increased, the impact strength decreased, and linear expansion coefficients also decreased. The optimum content of talcum powders in this material was determined as 20 wt % when being used for automobile rear door panels.

thermoplastic polyolefin; talcum powder; mechanical property; linear expansion coefficient

2017-03-22

TQ325.1+4

B

1001-9278(2017)08-0084-04

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.08.015

*联系人，songweihua@geniuscn.cn