石墨烯微片PP材料在汽車保險杠上的應(yīng)用研究

藍(lán)先，盧鴻劍，許立

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

石墨烯是一種由碳原子以sp雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納米加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。汽車保險杠通常使用滑石粉填充改性PP材料進(jìn)行加工和制造，不含有石墨烯。由于石墨烯具備的各項特殊性能，可將其應(yīng)用于對PP的力學(xué)性能、電性能、結(jié)晶性能及其他性能改善，因此，探索石墨烯微片填充到PP材料進(jìn)行改性并制造出汽車保險杠的量產(chǎn)可行性，開展滑石粉填充改性PP材料汽車保險杠和石墨烯微片填充PP材料汽車保險杠的對比，挖掘石墨烯微片填充PP材料應(yīng)用于汽車保險杠的優(yōu)勢，都具有填補(bǔ)行業(yè)空白的意義。

本文利用石墨烯的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等優(yōu)異特性，開發(fā)出一款石墨烯微片PP材料用于汽車保險杠，對薄壁滑石粉填充PP材料汽車保險杠與薄壁石墨烯微片PP材料汽車保險杠進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)石墨烯微片PP的制件更輕，可以實現(xiàn)零部件輕量化，并將其應(yīng)用在現(xiàn)有的薄壁汽車保險杠模具和工藝上，效果顯著。

1 石墨烯微片PP材料開發(fā)驗證

石墨烯微片PP材料的性能指標(biāo)由主機(jī)廠確定，目標(biāo)應(yīng)用零件是汽車保險杠，其樣料開發(fā)過程按照材料供應(yīng)商正常的材料開發(fā)步驟進(jìn)行，其驗證按照主機(jī)廠的要求開展。

1.1 石墨烯微片PP材料性能指標(biāo)的確定

對現(xiàn)有的汽車保險杠上使用的普通滑石粉填充PP材料和薄壁汽車保險杠上使用的滑石粉填充PP材料性能進(jìn)行了對比,結(jié)果見表1。后者比前者的密度更小，拉伸屈服應(yīng)力、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度、熔體質(zhì)量流動速率的要求更高，開發(fā)難度系數(shù)更大。如果新開發(fā)的石墨烯微片PP材料能夠達(dá)到這個最嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)，則開發(fā)低技術(shù)指標(biāo)的石墨烯微片PP材料更容易成功。因此，決定選用薄壁汽車保險杠上使用的滑石粉填充PP材料性能指標(biāo)作為石墨烯微片PP材料性能指標(biāo)。

表1 普通和薄壁滑石粉填充PP材料性能對比

1.2 石墨烯微片PP材料的開發(fā)

熔融共混法是一種使聚合物在熔體狀態(tài)下并借助外力將兩種或多種物質(zhì)混合均勻的方法，也是聚丙烯塑料擠出造粒和注塑成型的最常用的手段。由于已經(jīng)量產(chǎn)的石墨烯大多數(shù)是石墨烯微片，并不是嚴(yán)格意義上的石墨烯，為確保量產(chǎn)新材料的原材料來源充足，需采用可大量供應(yīng)的石墨烯微片加入到PP材料中熔融共混改性，制造出石墨烯微片PP材料。

1.3 石墨烯微片PP材料測試

石墨烯微片PP材料試驗按表1的薄壁汽車保險杠上使用的滑石粉填充PP材料性能指標(biāo)來制定，并按表1的測試條件和要求進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

由表2可知，新開發(fā)的石墨烯微片PP材料滿足要求。圖1是石墨烯微片PP材料實物。

表2 石墨烯微片PP材料測試結(jié)果

圖1 石墨烯微片PP材料實物

2 汽車保險杠開發(fā)驗證

全新的汽車保險杠開發(fā)和驗證周期較長，文中擬采用現(xiàn)有的汽車保險杠結(jié)構(gòu)、模具和工藝來開發(fā)和驗證，以便縮短其周期和實現(xiàn)材料等效替代。

2.1 汽車保險杠試制方案確定

為減少改動量，擬采用不改變現(xiàn)有的汽車保險杠結(jié)構(gòu)、模具和工藝，僅通過更換材料的方案來試制汽車保險杠。

2.1.1 汽車保險杠模具的選擇

由于薄壁汽車保險杠模具結(jié)構(gòu)比普通汽車保險杠模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，選取薄壁汽車保險杠模具結(jié)構(gòu)來試制汽車保險杠，意味著選取普通汽車保險杠模具結(jié)構(gòu)來成功試制汽車保險杠更加容易。因此，擬采用現(xiàn)有的薄壁汽車保險杠模具來試制新材料的汽車保險杠。

2.1.2 汽車保險杠工藝的選擇

由于薄壁汽車保險杠工藝比普通汽車保險杠工藝的難度系數(shù)更大，選取薄壁汽車保險杠模具工藝來試制汽車保險杠，意味著選取普通汽車保險杠工藝來成功試制汽車保險杠更加容易。因此，擬采用現(xiàn)有的薄壁汽車保險杠工藝來試制新材料的汽車保險杠。

2.2 汽車保險杠試制

將薄壁滑石粉填充PP材料更換成薄壁石墨烯微片PP材料，采用現(xiàn)有的汽車保險杠模具和工藝來試制同原來結(jié)構(gòu)形狀完全相同的汽車保險杠。

2.2.1 薄壁石墨烯微片PP材料預(yù)處理

在80～95 ℃條件下對石墨烯微片PP材料烘干，首次料烘時長為3 h，以后在注塑過程中連續(xù)烘料。

2.2.2 汽車保險杠試制

使用薄壁石墨烯微片PP材料試制汽車保險杠在以下注塑設(shè)備、注塑參數(shù)和工藝條件下進(jìn)行。

2.2.2.1 注塑設(shè)備

選用寧波海天集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的T 2200注塑設(shè)備。

2.2.2.2 注塑參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品的外觀和性能情況，設(shè)定的注塑參數(shù)見表3和表4。注塑工藝的轉(zhuǎn)保條件的位置為75 mm，時間為4.8 s；烘料溫度為80～95 ℃，首次烘料3 h，以后在注塑過程中則連續(xù)烘料。此零件的注塑周期為(80±5)s,其中射出時間為(20±3)s、保壓一時間為(5±2)s、保壓二時間為(2±2)s、冷卻時間為(35±5)s，余下時間為合模、合閘、高壓、卸壓、開閘、開模、頂針退、取件的時間。

表3 料筒溫度 單位:℃

表4 注塑工藝的設(shè)定

此注塑模具采用了熱流道，共35 組加熱，溫度均為(230±10) ℃，其溫控針閥控制時間包括射出延時、射出時間、保壓延時、保壓時間，均根據(jù)零件成型工藝需要確定，并與滑石粉填充PP材料制件相同，未做調(diào)整。

2.2.2.3 注塑并噴漆后的零件

注塑并噴漆后，零件表面無流痕等不良缺陷，外觀整潔，滿足產(chǎn)品的外觀要求。圖2為石墨烯微片PP材料試制的薄壁保險杠樣件。

圖2 石墨烯微片PP材料試制的薄壁保險杠樣件

2.3 汽車保險杠零部件測試驗證

針對石墨烯微片PP材料試制的薄壁保險杠樣件，根據(jù)主機(jī)廠的零部件試驗開展零部件外觀、性能等測試驗證。

2.3.1 汽車保險杠零部件測試要求的確定

由于開發(fā)薄壁石墨烯微片PP材料對照的是薄壁汽車保險杠的材料要求而開發(fā)，因此采用主機(jī)廠對薄壁汽車保險杠的零部件試驗大綱來開展相關(guān)測試驗證，測試項目分為兩大類，即噴漆前汽車保險杠零部件測試驗證和噴漆后汽車保險杠零部件測試驗證。

2.3.2 噴漆前汽車保險杠零部件測試驗證

噴漆前汽車保險杠經(jīng)過《非噴漆件、皮紋件產(chǎn)品性能》試驗項目的6項測試，滿足《前蒙皮總成技術(shù)要求》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，通過驗證，測試結(jié)果見表5。

表5 噴漆前汽車保險杠零部件測試驗證

2.3.3 噴漆后汽車保險杠零部件測試驗證

噴漆后汽車保險杠經(jīng)過《噴漆件產(chǎn)品性能》試驗項目的6項測試，滿足《商用車外飾噴漆塑料零件技術(shù)要求》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，通過驗證，測試結(jié)果見表6。

表6 噴漆后汽車保險杠零部件測試驗證

3 薄壁滑石粉填充PP材料汽車保險杠與薄壁石墨烯微片PP材料汽車保險杠的對比

表7列出了薄壁滑石粉填充PP材料汽車保險杠與薄壁石墨烯微片PP材料汽車保險杠的質(zhì)量對比結(jié)果。

表7 薄壁滑石粉填充PP材料汽車保險杠與薄壁石墨烯微片PP材料汽車保險杠的質(zhì)量對比結(jié)果

由表7可知，不同材料供應(yīng)商提供的石墨烯微片PP材料應(yīng)用于汽車保險杠均能實現(xiàn)減重效果，其中A材料供應(yīng)商提供的石墨烯微片PP材料應(yīng)用于汽車保險杠實現(xiàn)減重12%，B材料供應(yīng)商提供的石墨烯微片PP材料應(yīng)用于汽車保險杠實現(xiàn)減重5.9%，滿足主機(jī)廠材料等效替代輕量化的要求，與滑石粉填充PP制造的汽車保險杠相比較，石墨烯微片PP的制件更輕。

4 結(jié)束語

材料替代、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、先進(jìn)制造工藝是汽車輕量化的3個重要途徑。其中，材料替代，即使用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)材料對汽車輕量化的幫助最為明顯。石墨烯微片PP材料用于汽車保險杠，可以實現(xiàn)零部件輕量化，并能夠在不改變現(xiàn)有零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具和工藝條件下實現(xiàn)對滑石粉填充PP材料的等效替代和批量生產(chǎn)，完全滿足主機(jī)廠的各項開發(fā)要求，值得推廣應(yīng)用。