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一、背景介紹

泡沫硅橡膠是硅橡膠經過發泡后制成的一種柔性、多孔高分子彈性材料,是將硅橡膠與泡沫材料的特性結合于一體的新型高分子材料。泡沫硅橡膠材料具有良好的熱穩定性、耐腐蝕性以及耐高溫沖擊等性能,能滿足很大范圍的使用要求。相對于實體硅橡膠材料,泡沫硅橡膠具有其獨特的特點,如密度小、比表面積大、能量吸收性好、熱導率低、吸聲性能好、隔音性佳等,應用領域廣泛。現就泡沫硅橡膠在新能源電池包支撐方面的應用詳細介紹。

在新能源電池包設計中,液冷板通過導熱介質跟電池組緊密接觸,傳遞走多余熱量,但是高溫的工況和長期的顛簸受力,導熱介質厚度會變薄,與液冷板接觸變差,使液冷板不能有效傳遞出電池組的熱量。為了使液冷板與導熱介質持續緊密接觸,用于支撐的泡沫硅橡膠必須提供持久的反彈力,使電池包長期保持良好的工作性能。由于泡沫硅橡膠制品是在承受一定壓力和反復形變的情況下使用的,在周期性交變負荷作用下,泡沫硅橡膠制品會因疲勞而性能變差甚至使材料破壞,降低其使用質量,即產生壓縮疲勞現象。為了明確泡沫硅橡膠的使用期限,需要對泡沫硅橡膠進行耐疲勞性能方面的測試,表征其產生壓縮疲勞的時間及性能變化。

泡沫硅橡膠的耐疲勞性測試稱為壓縮疲勞試驗(compression fatigue test),是研究泡沫橡膠在受到反復壓縮應力作用下所引起生熱和疲勞破壞的試驗。試驗時對某一形狀試樣在規定預應力或預應變條件下,再疊加上周期性應力或應變,隨后測定試樣的溫度升高、應力和形變的變化,或者一直進行到試樣破壞所需的時間。疲勞性能試驗是目前作為反映軟質泡沫材料耐用性最重要的物理性能指標。

二、現狀分析

2.1 現有測試標準

對于軟質泡沫聚合材料的動態疲勞試驗通常是指通過專門的疲勞試驗機分別采用恒定形變或恒定負荷的疲勞方式,在低于材料屈服極限的限度以內,使材料經受交變的應力或形變。目前對于動態疲勞試驗,國際和國內都制定了相關的測試標準。

國際標準ISO 3385 Flexible cellular polymeric materials -- Determination of fatigue by constant-load pounding試驗方法采用的是恒定負荷重復壓陷的疲勞試驗方法。該標準使用特制的軟質泡沫疲勞試驗機,用比試樣面積小的壓頭,70±5 Hz的頻率,對軟泡試樣進行反復壓陷,達8萬次,每次當最大壓陷負荷達到限定值(750 N±20 N)時返回。然后對材料進行試驗前后力學性能的對比(厚度和硬度的損失),從而了解軟質泡沫聚合材料的疲勞性能。該標準的試樣是長寬均為380 mm±20 mm,厚度為50 mm±2 mm的長方體,數量為三塊。美國材料試驗協會標準ASTM D 3574-I3 《軟質泡沫材料-塊狀、粘合及模塑聚氨酯軟質泡沫塑料性能試驗方法》的測試原理及對試樣的要求與ISO 3385一致。

中國輕工業行業標準QBT 2819-2006《軟質泡沫材料長期疲勞性能的測定-厚度和硬度損失》的制定就是參考ISO 3385標準制定的,也是恒定負荷重復壓陷的疲勞試驗方法,測試原理與試樣要求同標準ISO 3385一致。對于國標GB/T 1687.3-2016《硫化橡膠 在屈撓試驗中溫升和耐疲勞性能的測定 第3部分:壓縮屈撓試驗(恒應變型)》提供了硫化橡膠在恒應變振幅壓縮屈撓試驗中溫升和疲勞性能的測試方法。該標準測定硫化橡膠的疲勞壽命時,由于材料破壞是從內部開始的,看不到,因此該標準的測試方法只是間接的。

目前恒定負荷反復壓陷法使用的更廣泛,這是因為恒定負荷方法對于軟質泡沫聚合材料疲勞性能的評定更為有效。由于恒定負荷反復壓陷法能夠確保軟泡材料所承受的最大負荷(包括當試樣由于經受反復壓陷逐漸變軟后)始終維持在限定范圍以內。恒定變形反復壓陷法在試樣由于經受反復壓陷逐漸變軟后,相對于試驗開始時為達到維持恒定形變(例如厚度的50%),所需要的最大負荷值將會有較大的下降,從而會表現出疲勞試驗過程中的前后不均勻性,因而不是很科學。當然恒定變形反復壓陷法的疲勞試驗機制造起來較為容易,試驗過程也較為簡單,因此也常用于反映泡沫硅橡膠耐疲勞性。

2.2 測試的影響因素

根據泡沫硅橡膠的壓縮反彈力的計算公式


其中,P為抗壓強度,即泡沫硅橡膠的壓縮反彈力,單位Pa;

F為壓力,即接觸表面的作用力,單位N;

S為試樣的截面積,單位m2。

對同種材料,把相同截面積試樣壓縮不同高度,所得到的壓力不同,因此泡沫材料的壓縮反彈力與試樣的壓縮厚度和截面積有關。對不同材料,壓力的大小與材質本身和材料結構有關,材料結構包括相結構、孔結構、相排列組合等。

三、現有產品及對比產品數據分析

泡沫硅橡膠材料在電池包中用于支撐作用時處于壓縮狀態,同時由于這種材料本身老化速度慢,甚至可以在10年內保證正常使用,若按照2.1中的測試標準,壓縮次數太少,無法更好的預測材料的使用周期。

為了反映泡沫硅橡膠的耐疲勞性,收集相同材質、密度相近的泡沫硅橡膠,觀察其動態壓縮后厚度和壓縮反彈力的損失,同時為了加大測試力度,對現有產品做100萬(106)次反復壓縮試驗,試驗方式采用恒定形變壓縮,壓縮量為試樣厚度的40 %。

3.1 樣品準備

收集試樣:密度約為500 kg/m3,東莞市廣邁電子科技有限公司生產的GM-500和TZ-500泡沫硅橡膠產品,美國某公司生產的同等密度的XXX泡沫硅橡膠產品

采集試樣:厚度約為6 mm,直徑為38 mm的圓柱體。

3.2 百萬次壓縮數據測試及分析

采用厚度測試儀測量試樣的具體厚度;采用電子比重計測得試樣的密度;采用臺式電子顯微鏡(上海HITACHI, TM3030Plus)觀察產品微觀形貌。采用電子動靜態萬能材料試驗機(美國INSTRON, E3000),使用動態恒定變形模式,頻率為3.5 Hz,記錄樣品被壓縮100萬次的載荷變化,并計算得出壓縮反彈力變化曲線(見圖1)。樣品測試完成后恢復24 h,測量并記錄其厚度。樣品的密度、厚度及反彈力損失數據整理見表1。

從圖1和表1可以看出,在百萬次壓縮過程中,三個產品的厚度損失都很小,幾乎為0%,但反彈力損失和載荷損失相差很大;產品GM-500的壓縮反彈力在227~210 KPa范圍內波動,產品TZ-500的壓縮反彈力在251~233 KPa范圍內波動,兩者的反彈力損失和載荷損失都<8%;產品XXX的反彈力損失和載荷損失>30%。

目前國際上對于不同軟質泡沫材料的疲勞試驗性能要求沒有硬性規定,但綜合各類標準,在軟泡聚合材料疲勞性能試驗中,耐疲勞性反復壓陷8萬次或10萬次后,通常對于厚度損失要求≤5%,而對于40%壓陷硬度損失則根據不同的用途要求≤13%~50%。對比表1中百萬次反復壓縮后厚度和硬度損失數據,產品GM-500和TZ-500的性能遠遠優于國際標準的要求,而產品XXX的性能在標準要求的范圍內。

電池包液冷板支撐用泡沫硅橡膠疲勞測試分析

圖1 三種產品的百萬次壓縮曲線

表1 產品測試結果匯總




圖2 產品GM-500(上)、TZ-500(中)和XXX(下)的顯微結構

對于上述產品性能的變化我們可以從圖2的微觀結構中得到解釋。產品GM-500和TZ-500的電鏡照片中,大孔與小孔錯落有致的排列,孔壁較厚;產品XXX中,大孔數量遠多于小孔,孔徑分布不均勻,而且孔壁較薄。

3.3、反彈力影響因素分析

不同樣品耐疲勞試驗壓縮反彈力損失的原因主要有兩個:① 壓縮過程中,閉孔所受外力>孔壁的承受極限,使閉孔被壓破;② 隨壓縮次數的增加,孔壁的結構和性能變差。

對于原因一,由于泡沫材料中并不完全是開孔或閉孔,一般將開孔率>90 %(也有將95 %作為分界點)稱為開孔材料。對于開孔材料,泡孔之間相互連通,施加外力時,只需將泡沫材料中的空氣擠出;外力消失時,空氣又可以進入泡沫材料。對于閉孔材料,在壓縮過程中隨外界施加壓力,閉孔內的空氣被壓縮,使內部壓強增加,若與受力方向垂直的孔壁承受壓縮氣體的壓力(具體作用力示意圖見圖2)大于孔壁承受的極限,閉孔會被壓破;當外力消失時,壓縮氣體快速擴散使泡孔恢復原狀。對于混合孔型泡沫材料,兩種受力方式共同存在,其中泡沫材料的孔壁所能承受的外力的極限由材料本身的彈性和厚度決定,對同種材料,孔壁越薄,閉孔易被壓破,反彈力損失越大。


圖3 閉孔的受力分析

對于原因二,孔壁的結構和性能與材料本身(包括橡膠的結構、硫化體系、填充劑等)有關,材料本身是由配方和工藝決定的。如玻璃化溫度低的橡膠耐疲勞性好,有極性基團的橡膠耐疲勞性差;單硫鍵的硫化體系,疲勞性最好,而交聯劑用量的增加會使硫化膠的疲勞性能下降。

由于泡沫硅橡膠耐老化性好,結合圖2和圖3的分析可知,三種產品百萬次壓縮后反彈力的損失差別主要是因為XXX的泡孔結構不均勻,孔壁較薄。

根據上述分析可知,在實際應用中,選擇電池包中支撐用泡沫硅橡膠材料時應當選擇壓縮反彈力損失小的產品即GM-500或TZ-500,否則不能滿足長期提供持久的反彈力。

四、結論

通過對密度相當的三款產品GM-500、TZ-500、XXX百萬次定形壓縮后反彈力的損失研究,可以得出以下結論:

(1) 產品GM-500和TZ-500的百萬次壓縮反彈力損失分別為7.49%、7.17%,均<8%,這兩者產品的厚度損失均為0%,微觀形貌中大孔和小孔分布均勻,且孔壁較厚;

(2) 產品XXX的百萬次壓縮反彈力損失為34.54%,厚度損失均為0.15%,微觀形貌中大孔較多,孔壁較薄。

(3) 選擇電池包中支撐用泡沫硅橡膠材料時應當選擇壓縮反彈力損失小的產品即GM-500或TZ-500,否則不能滿足長期提供持久的反彈力。