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从宏观到微观:汽车要”瘦身”更要安全

岛津发布时间:2020/10/28 21:47 点击: 加载中..

导读

随着“2020年第七届中国汽车轻量化国际峰会”的日益临近及《国家第六阶段机动车污染物排放标准》的发布与实施,在环境保护和节能降耗法规要求日趋严格的当下,轻量化已成为中国汽车产业发展的重要方向和必然趋势。

 

其中对车身的轻量化更是提高汽车动力性、降低油耗、保护环境的关键。车身轻量化与使用材料密切相关,如镁合金、铝合金等金属结构材料、工程塑料及其复合材料在轻量化中起到重要作用。采用工程塑料及其复合材料可减轻汽车零部件约40%的质量,可降低成本40%,因此开发工程塑料和复合新材料是车身轻量化发展的趋势,其中PP(聚丙烯)和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)应用最为广泛。

 

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塑料及其复合材料的应用场景

 

为什么在汽车材料轻量化中大量应用PP、PMMA?

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今天,我们要对PP、PMMA做两个有趣的试验:

 

1. 宏观视界下的拉伸

 

PP、PMMA在常规的静态测试外,可能会受到动态变形的影响,例如,在涉及运输设备的碰撞和产品掉落时。因此,为了保证可靠性,还必须进行冲击试验。特别是,由于聚合物塑料具有粘弹性,(既有粘性又有弹性),其力学特性表现出对环境温度、时间和变形速率的依赖性。

 

采用岛津AGX-V电子万能试验机和HITS-TX高速拉伸试验机可以研究PMMA/PP与试验速度关系。

 

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应力-行程曲线

 

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试验结果

 

高速拉伸试验中PMMA和PP的拉伸强度均高于静态拉伸试验,证实了这两种塑料材料拉伸强度的试验速度依赖性。

 

2. 微观视界下的断口

 

当发生损坏、故障事故或劣化时,我们通常迫切需要调查原因和提出对策。塑料的失效形式多种多样,包括静态断裂、冲击断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、环境引起的断裂等。根据分析不同类型的断裂原因,可以观察到具有不同特征的断裂面,这表明可以通过断口观察来确定损伤的原因,并研究解决损伤的方法。拉伸试验后,我们选择对PP试样的断口进行镀金,并用光学显微镜和EPMA进行观察。

 

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电子探针EMPA8050G

 

在PP断裂表面镀金,并用光学显微镜和EPMA进行观察。静态拉伸试验和高速拉伸试验后的聚丙烯断裂表面分别如下图所示。(a)为光学显微镜图像,(b)-(d)为电子探针二次电子像。

 

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对比PP静态拉伸微观图(a)与PP动态拉伸微观图(a)可见,与高速拉伸试验的断口面积相比,静态拉伸试验的断口面积明显较小,这应该是由于静态拉伸断裂时,塑性变形伴随着颈缩而导致的。

 

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静态拉伸微观图

 

在PP静态拉伸微观图(b)中的断裂面中部,可见纤维断裂面以韧性方式伸长。对 PP静态拉伸微观图(b)的中心区域及其左侧区域进一步放大,结果见PP静态拉伸微观图(c)及(d)。由PP静态拉伸微观图(c)可见树脂纤维伸长的情况。PP静态拉伸微观图(d)显示断面上有许多孔,这是由树脂(如低分子量物质)或杂质等微观缺陷等形核长大而导致的。

 

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高速拉伸微观图

 

在高速拉伸试验中,断裂处没有出现颈缩现象,整个断口呈扁平、粗糙的片状。对断面中心及边部进一步放大,结果见PP动态拉伸微观图(c)及PP动态拉伸微观图(d),可见,中部和边部的断口形貌无明显差异。据此可推断,随着试验速度的提高会导致无塑性变形的脆性断裂。

 

结 论

 

岛津具有丰富的产品线,在宏观方面:拥有各种静态试验机与动态试验机,可以提供力学测试,并进行定制化夹具设计;从微观方面:拥有电子探针EMPA等各种微观测试仪器,可以提供表面分析数据,为客户提供一整套服务与方案。岛津为汽车改性塑料的快速发展提供帮助,在汽车安全性的基础之上实现汽车轻量化,为营造和谐绿色的环境做出贡献,创造崭新的明天。

 

 

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