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車用非金屬材料檢測新方法-高溫維卡

熱變形測試

摘 要

  隨著非金屬材料的性能及加工工藝的日新月異,非金屬材料正在以前所未有的速度被應用在汽車、航天、軍工等各種領域。其中,非金屬材料的塑料制品在汽車上的應用非常廣泛,不僅具有較好的加工性能和使用性能,而且密度比金屬材料低,對于促進汽車的輕量化和節能減排具有重要意義。本文主要闡述了車用非金屬材料-塑料特殊高溫下對維卡熱變形測試的一種方法,可以有效運用于車用非金屬材料行業,試驗測得的維卡軟化點適用于控制質量和作為判斷材料熱性能的一個重要指標,為新材料以及特種材料的開發和研究提供幫助。

關鍵詞:新能源汽車、塑料、熱性能、高溫維卡熱變形

一、新能源汽車簡介

  燃油汽車發展到今天,已面臨“環境污染”與“能源危機”的雙重壓力。尋求新的替代能源,以及開發低污染或零污染的新能源汽車(又稱環保汽車、清潔汽車),已成為當今世界汽車工業發展的主題。新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源(或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置),綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術,形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。相較于傳統燃油汽車,新能源汽車在能源來源、尾氣排放等方面具有明顯優勢。

  2月9日,中國汽車工業協會發布的數據顯示,2018年1月,國內汽車銷量281萬輛,同比增長11.59%。其中,新能源汽車市場迎來開門紅,共銷售3.85萬輛,同比增長4.3倍。2018年將成新能源汽車產業發展關鍵之年。

二、車用非金屬材料

  非金屬材料質輕,可使汽車輕量化以達到節能的效果,尤其是非金屬材料良好的加工工藝賦予了汽車生產商更高的零件設計和自由度。隨著非金屬材料的性能及加工工藝的廣泛應用,非金屬材料逐漸取代傳統的金屬材質應用于汽車的各個部位。例如:聚丙烯塑料具有質輕、在高溫下仍保持其良好的力學性能的特點,主要用于通風采暖系,發動機的某些配件以及外裝件,汽車轉向盤,儀表板,前、后保險杠,加速踏板,蓄電池殼,空氣過濾器,冷卻風扇,風扇護罩,散熱器隔柵,轉向機套管,分電器蓋,燈殼,電線覆皮等;聚碳酸酯具有較好的抗沖擊強、抗蠕變性能、耐熱性等,應用于汽車保險杠、刻度板、加熱器底板等;聚醚亞胺(PEI),由于其玻璃化溫度可達249℃,可滿足汽車反光燈的反光板和軟電路板、恒溫箱板等產品的要求。隨著非金屬材料的應用越來越多,同時對于材料的性能要求也越來越高,系統的性能檢測對材料使用的安全性及最優化使用將會提供更有力的支持。但非金屬材料的最難控制的物理性能就是其高溫下的變形穩定性,這是相關行業的研發重點。

三、車用非金屬材料檢測新方法-高溫維卡熱變形測試

  塑料等車用非金屬材料的使用和加工性能很大程度上與溫度相關,隨著溫度的升高,分子鏈運動變得更加容易,外在表現為變軟、易變形。溫度對塑料幾何穩定性和機械性能的影響一般可通過測試塑料的維卡軟化點及熱變形溫度表征,主要用于測定塑料試片加負荷(三點加荷下的彎曲應力)的變形溫度(HDT負荷變形溫度的測定)以及塑料樣品測定在規定的負荷下,標準壓針刺入熱塑性塑料試樣表面1mm深時的溫度(塑料Vicat軟化溫度測試法)。

                                        

                                                    圖1:維卡軟化點測試原理                                            圖2:熱變形溫度測試原理

  目前市場上主流的維卡熱變形試驗機均采用油作為傳熱介質,包括GB/T1633、GB/T1634均有提及液體石蠟、變壓器油、甘油、硅油都是合適的傳熱介質,但是經過長期的實驗發現:油作為傳熱介質,溫度最高只能到達300℃,像PEK、PEEK、聚酰亞胺等耐高溫塑料無法測試;在升溫速率較高的情況下,油會出現分解、冒煙、燒焦的現象,長期使用會出現雜質,影響油的傳熱,長期使用會出現趨勢性數據偏離;在使用過程中油需要定期更換,成本較高,很多客戶往往忽略這一點,造成數據偏差。

  為避免這些問題,突破常規的測試條件,全新的高溫熱變形/維卡試驗機采用特殊的空氣動力介質加熱系統,溫度可高達500℃,避免了使用油介質可能會出現的弊端;同時使用該種加熱方式,傳熱介質的消耗量小,不會因溫度變化而分解,數據可持續穩定。

  如下以某材料的熱變形(HDT)實驗舉例,按照標準測試要求安裝試樣,設定實驗條件,計算機程序實時測試曲線,自動記錄測試數據。從如下數據可看出三組試樣的熱變形溫度偏差極小,可精準的測出材料的熱變形溫度,對材料的性能范圍做出精準的判斷,為生產、設計、科研提供必要的依據。

  隨著近幾年以電動汽車為代表的新能源汽車行業迅猛發展,汽車輕量化的迫切需求,極大促進了非金屬材料的發展,但要充分利用材料的優勢特點,還需對材料本身進行大量的性能測試,以真正做到物盡其用。

四、結語

  本文通過闡述高溫維卡測試原理和意義,表明維卡熱變形測試對車用非金屬材料的研究和技術突破提供非常大的幫助,可幫助攻克非金屬材料在高溫下易變形的技術難點,進而為汽車輕量化和節能減排做貢獻。高溫維卡測試可克服普通維卡測試的溫度限制,對于新材料,特種材料的研究具有重大指導意義。

 

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