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一、背景介紹

泡沫硅橡膠是硅橡膠經(jīng)過發(fā)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(jié)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(wěn)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(shí)體硅橡膠材料,泡沫硅橡膠具有其獨(dú)特的特點(diǎn),如密度小、比表面積大、能量吸收性好、熱導(dǎo)率低、吸聲性能好、隔音性佳等,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛?，F(xiàn)就泡沫硅橡膠在新能源電池包支撐方面的應(yīng)用詳細(xì)介紹。

在新能源電池包設(shè)計(jì)中,液冷板通過導(dǎo)熱介質(zhì)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(dǎo)熱介質(zhì)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(dǎo)熱介質(zhì)持續(xù)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(fù)形變的情況下使用的,在周期性交變負(fù)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(zhì)量,即產(chǎn)生壓縮疲勞現(xiàn)象。為了明確泡沫硅橡膠的使用期限,需要對泡沫硅橡膠進(jìn)行耐疲勞性能方面的測試,表征其產(chǎn)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(yàn)(compression fatigue test),是研究泡沫橡膠在受到反復(fù)壓縮應(yīng)力作用下所引起生熱和疲勞破壞的試驗(yàn)。試驗(yàn)時對某一形狀試樣在規(guī)定預(yù)應(yīng)力或預(yù)應(yīng)變條件下,再疊加上周期性應(yīng)力或應(yīng)變,隨后測定試樣的溫度升高、應(yīng)力和形變的變化,或者一直進(jìn)行到試樣破壞所需的時間。疲勞性能試驗(yàn)是目前作為反映軟質(zhì)泡沫材料耐用性最重要的物理性能指標(biāo)。

二、現(xiàn)狀分析

2.1 現(xiàn)有測試標(biāo)準(zhǔn)

對于軟質(zhì)泡沫聚合材料的動態(tài)疲勞試驗(yàn)通常是指通過專門的疲勞試驗(yàn)機(jī)分別采用恒定形變或恒定負(fù)荷的疲勞方式,在低于材料屈服極限的限度以內(nèi),使材料經(jīng)受交變的應(yīng)力或形變。目前對于動態(tài)疲勞試驗(yàn),國際和國內(nèi)都制定了相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)。

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

中國輕工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QBT 2819-2006《軟質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)制定的,也是恒定負(fù)荷重復(fù)壓陷的疲勞試驗(yàn)方法,測試原理與試樣要求同標(biāo)準(zhǔn)ISO 3385一致。對于國標(biāo)GB/T 1687.3-2016《硫化橡膠 在屈撓試驗(yàn)中溫升和耐疲勞性能的測定 第3部分:壓縮屈撓試驗(yàn)(恒應(yīng)變型)》提供了硫化橡膠在恒應(yīng)變振幅壓縮屈撓試驗(yàn)中溫升和疲勞性能的測試方法。該標(biāo)準(zhǔn)測定硫化橡膠的疲勞壽命時,由于材料破壞是從內(nèi)部開始的,看不到,因此該標(biāo)準(zhǔn)的測試方法只是間接的。

目前恒定負(fù)荷反復(fù)壓陷法使用的更廣泛,這是因?yàn)楹愣ㄘ?fù)荷方法對于軟質(zhì)泡沫聚合材料疲勞性能的評定更為有效。由于恒定負(fù)荷反復(fù)壓陷法能夠確保軟泡材料所承受的最大負(fù)荷(包括當(dāng)試樣由于經(jīng)受反復(fù)壓陷逐漸變軟后)始終維持在限定范圍以內(nèi)。恒定變形反復(fù)壓陷法在試樣由于經(jīng)受反復(fù)壓陷逐漸變軟后,相對于試驗(yàn)開始時為達(dá)到維持恒定形變(例如厚度的50%),所需要的最大負(fù)荷值將會有較大的下降,從而會表現(xiàn)出疲勞試驗(yàn)過程中的前后不均勻性,因而不是很科學(xué)。當(dāng)然恒定變形反復(fù)壓陷法的疲勞試驗(yàn)機(jī)制造起來較為容易,試驗(yàn)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(jù)泡沫硅橡膠的壓縮反彈力的計(jì)算公式


其中,P為抗壓強(qiáng)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(guān)。對不同材料,壓力的大小與材質(zhì)本身和材料結(jié)構(gòu)有關(guān),材料結(jié)構(gòu)包括相結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、相排列組合等。

三、現(xiàn)有產(chǎn)品及對比產(chǎn)品數(shù)據(jù)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(tài),同時由于這種材料本身老化速度慢,甚至可以在10年內(nèi)保證正常使用,若按照2.1中的測試標(biāo)準(zhǔn),壓縮次數(shù)太少,無法更好的預(yù)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(zhì)、密度相近的泡沫硅橡膠,觀察其動態(tài)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(xiàn)有產(chǎn)品做100萬(106)次反復(fù)壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)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(zhǔn)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(chǎn)的GM-500和TZ-500泡沫硅橡膠產(chǎn)品,美國某公司生產(chǎn)的同等密度的XXX泡沫硅橡膠產(chǎn)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(shù)據(jù)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(jì)測得試樣的密度;采用臺式電子顯微鏡(上海HITACHI, TM3030Plus)觀察產(chǎn)品微觀形貌。采用電子動靜態(tài)萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國INSTRON, E3000),使用動態(tài)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(jì)算得出壓縮反彈力變化曲線(見圖1)。樣品測試完成后恢復(fù)24 h,測量并記錄其厚度。樣品的密度、厚度及反彈力損失數(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)品GM-500的壓縮反彈力在227~210 KPa范圍內(nèi)波動,產(chǎn)品TZ-500的壓縮反彈力在251~233 KPa范圍內(nèi)波動,兩者的反彈力損失和載荷損失都<8%;產(chǎn)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(zhì)泡沫材料的疲勞試驗(yàn)性能要求沒有硬性規(guī)定,但綜合各類標(biāo)準(zhǔn),在軟泡聚合材料疲勞性能試驗(yàn)中,耐疲勞性反復(fù)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(jù)不同的用途要求≤13%~50%。對比表1中百萬次反復(fù)壓縮后厚度和硬度損失數(shù)據(jù),產(chǎn)品GM-500和TZ-500的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國際標(biāo)準(zhǔn)的要求,而產(chǎn)品XXX的性能在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。

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(chǎn)品的百萬次壓縮曲線

表1 產(chǎn)品測試結(jié)果匯總




圖2 產(chǎn)品GM-500(上)、TZ-500(中)和XXX(下)的顯微結(jié)構(gòu)

對于上述產(chǎn)品性能的變化我們可以從圖2的微觀結(jié)構(gòu)中得到解釋。產(chǎn)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(chǎn)品XXX中,大孔數(shù)量遠(yuǎn)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(yàn)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(shù)的增加,孔壁的結(jié)構(gòu)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(diǎn))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(jìn)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(nèi)的空氣被壓縮,使內(nèi)部壓強(qiáng)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(dāng)外力消失時,壓縮氣體快速擴(kuò)散使泡孔恢復(fù)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(jié)構(gòu)和性能與材料本身(包括橡膠的結(jié)構(gòu)、硫化體系、填充劑等)有關(guān),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(tuán)的橡膠耐疲勞性差;單硫鍵的硫化體系,疲勞性最好,而交聯(lián)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(jié)合圖2和圖3的分析可知,三種產(chǎn)品百萬次壓縮后反彈力的損失差別主要是因?yàn)閄XX的泡孔結(jié)構(gòu)不均勻,孔壁較薄。

根據(jù)上述分析可知,在實(shí)際應(yīng)用中,選擇電池包中支撐用泡沫硅橡膠材料時應(yīng)當(dāng)選擇壓縮反彈力損失小的產(chǎn)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(jié)論

通過對密度相當(dāng)?shù)娜町a(chǎn)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(jié)論:

(1) 產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)當(dāng)選擇壓縮反彈力損失小的產(chǎn)品即GM-500或TZ-500,否則不能滿足長期提供持久的反彈力。