【日】R.KODAMA T.ONISHI

目前，中冷器軟管由氟橡膠（FKM）和硅橡膠（VMQ）制成，具有高熱阻和高耐久性的特點(diǎn)。未來中冷器軟管將在更加嚴(yán)苛的環(huán)境（高溫高壓）中使用，使用當(dāng)前材料存在耐久性風(fēng)險(xiǎn)。FKM力學(xué)性能的改善工作側(cè)重于關(guān)注導(dǎo)致其性能不足的內(nèi)部FKM交聯(lián)點(diǎn)的低耐久性問題。目前，交聯(lián)法具有很強(qiáng)的耐酸性，且無法改性。在保留現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)耐酸水平的情況下，研究添加1個(gè)新型特殊的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。采用炭黑凝膠作為該新型網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)劑，調(diào)整聚合物類型和混合比例，從而獲得目標(biāo)值。同時(shí)，開發(fā)出1種新型的FKM，并采用該新型材料制成軟管樣件。試驗(yàn)樣件通過了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，F(xiàn)KM的力學(xué)性能無法支持其在高溫環(huán)境下工作。在高溫下，F(xiàn)KM內(nèi)層的材料屬性無法滿足未來發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫高壓環(huán)境要求。通過改善材料在高溫下的力學(xué)性能，同時(shí)保持材料的耐高溫性和成形性，最終通過采用炭黑凝膠強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了開發(fā)目標(biāo)。關(guān)鍵詞：軟管;中冷器;開發(fā);未來發(fā)動(dòng)機(jī)

0 前言

為了同時(shí)獲得高成本性能和高耐久性能，現(xiàn)代重型商用車廣泛采用配備了中冷器的渦輪增壓柴油機(jī)。這些柴油機(jī)是人員和貨物運(yùn)輸工具的必要?jiǎng)恿?，具有熱效率高、CO2排放低的優(yōu)點(diǎn)。較高的壓縮比、發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和降速被認(rèn)為是柴油機(jī)獲得更高熱效率的有效方式[1]。要滿足這些要求，必須改善將最終的高溫高壓氣體傳輸至中冷器的中冷器軟管的性能。在現(xiàn)代重型商用車中，竄氣和高溫壓縮空氣都要流經(jīng)中冷器軟管。中冷器軟管為疊層結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良熱阻和化學(xué)性能的氟橡膠（FKM）內(nèi)層和優(yōu)良熱阻性能的高熱阻芳綸纖維硅橡膠（VMQ）外層。圖1為中冷器軟管的橫截面結(jié)構(gòu)圖。

1 當(dāng)前零部件在高溫高壓工況下的評(píng)價(jià)

1.1 軟管臺(tái)架的試驗(yàn)裝置

圖2為軟管臺(tái)架的試驗(yàn)裝置圖。試驗(yàn)采用未來發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境條件，即向軟管內(nèi)施加更高的溫度和壓力，在所有方向上采用當(dāng)前水平的振幅。為消除局部應(yīng)力集中，評(píng)價(jià)材料本身的性能，試驗(yàn)采用幾乎無集中應(yīng)力的直波紋管形軟管。因?yàn)槭褂瞄]式通風(fēng)器（竄氣還原裝置）會(huì)導(dǎo)致恰好位于渦輪增壓器前的含酸竄氣還原，中冷器軟管還必須具有耐酸性和耐油性。在未來發(fā)動(dòng)機(jī)更加嚴(yán)苛的高溫高壓工況下，為避免酸性物質(zhì)穿透FKM內(nèi)層，從而損壞不具耐酸性的VMQ外層，研究人員添加了1個(gè)能夠在加壓條件下噴射不同濃度酸性物質(zhì)的噴霧裝置。

1.2 當(dāng)前材料在未來發(fā)動(dòng)機(jī)工況下中冷器軟管的試驗(yàn)結(jié)果

圖3為零部件在高溫高壓工況下經(jīng)過軟管臺(tái)架測(cè)試后的外觀情況。VMQ外層與初始狀態(tài)無差別，但在FKM內(nèi)層的波紋管處出現(xiàn)了裂紋。

1.3 FKM裂紋形成原因評(píng)估

圖4總結(jié)了FKM內(nèi)層裂紋的形成原因。在較高的溫度和壓力條件下，軟管臺(tái)架試驗(yàn)表明，材料機(jī)械強(qiáng)度的缺失會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。在針對(duì)未來發(fā)動(dòng)機(jī)條件下的軟管臺(tái)架試驗(yàn)裝置上，且在相應(yīng)的試驗(yàn)中僅增大壓力或振動(dòng)，裂紋在FKM內(nèi)層上形成（圖3）。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)環(huán)境溫度升高至未來發(fā)動(dòng)機(jī)水平，壓力增大會(huì)導(dǎo)致軟管膨脹及振動(dòng)，并導(dǎo)致軟管上下運(yùn)動(dòng)，它們共同作用導(dǎo)致了裂紋的形成。在高溫環(huán)境下，F(xiàn)KM內(nèi)層承受了極端應(yīng)變，且超出了斷裂閾值的延伸率。為了確定高溫環(huán)境下FKM延伸系數(shù)的惡化程度，研究人員對(duì)FKM和VMQ進(jìn)行了高溫抗拉延伸率試驗(yàn)。

2 橡膠材料性能測(cè)試

研究人員采用表1中所列的測(cè)試方法測(cè)量了材料的力學(xué)性能并研究了環(huán)境的影響。由于要求新開發(fā)的材料具有與當(dāng)前材料相同的環(huán)境寬容性，研究人員通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行了評(píng)價(jià)：（1）熱老化性能（指定時(shí)間段內(nèi)的未來發(fā)動(dòng)機(jī)溫度條件）;（2）耐油性（基于JIS K 6258測(cè)試方法，采用IRM 903標(biāo)準(zhǔn)，指定時(shí)間段內(nèi)的溫度為150 ℃）;（3）燃料耐油性（基于JIS K 6258測(cè)試方法，采用燃料C，指定時(shí)間段內(nèi)的溫度為90 ℃）;（4）耐酸性（在指定時(shí)間段內(nèi)，浸入指定濃度的硫酸、鹽酸、硝酸、醋酸和甲酸等溶液中后，在60 ℃下進(jìn)行3個(gè)干燥循環(huán)）;（5）VQM外層附著性能;（6）抗彎曲疲勞性。研究人員為評(píng)價(jià)在受硫化粘合影響的FKM和VMQ試件，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)（頻率25 mm/s），并比較出現(xiàn)裂紋的循環(huán)數(shù)。

3 材料開發(fā)

3.1 目標(biāo)值隱含的理念

圖5為FKM內(nèi)層和VMQ外層在室溫和未來發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境溫度下的延伸系數(shù)比較結(jié)果。對(duì)于VMQ外層，當(dāng)溫度由室溫升高至未來發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境溫度時(shí)，其延伸系數(shù)下降50%。而FKM內(nèi)層的延伸系數(shù)下降25%。通常認(rèn)為，延伸系數(shù)低于100%時(shí)，橡膠材料就已達(dá)到其壽命極限。盡管在當(dāng)前溫度下，F(xiàn)KM內(nèi)層不成問題，但其在未來溫度下的延伸系數(shù)會(huì)低于100%。與之相反，甚至在施加壓力和激勵(lì)的軟管臺(tái)架試驗(yàn)中，研究人員也未在VMQ外層上發(fā)現(xiàn)裂紋。因此，研究人員將FKM內(nèi)層在未來發(fā)動(dòng)機(jī)溫度下的延伸系數(shù)目標(biāo)值設(shè)置成與VMQ外層相同的水平。

3.2 材料開發(fā)方法

由于FKM聚合物具有高熱阻，因此其延伸系數(shù)在高溫下的下降主要?dú)w因于交聯(lián)點(diǎn)的低熱阻特性?；谶@個(gè)前提，材料開發(fā)主要側(cè)重于交聯(lián)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，F(xiàn)KM的交聯(lián)結(jié)構(gòu)是通過過氧化物交聯(lián)形成的。多元醇交聯(lián)具有比過氧化物交聯(lián)更高的熱阻。如圖6所示，其中的CaO、Ca（OH）2和MgO化合物等酸性中和劑會(huì)通過甲酸和醋酸等有機(jī)酸觸發(fā)脫氟化氫反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)FKM聚合物的降解。在保持當(dāng)前耐酸性的同時(shí)，研究人員需要在不替代當(dāng)前過氧化物交聯(lián)的情況下實(shí)現(xiàn)材料性能的改善。

圖7為新開發(fā)材料的結(jié)構(gòu)示意圖。為了強(qiáng)化在高溫下的力學(xué)性能，研究人員添加了由炭黑凝膠增強(qiáng)劑制成用于加強(qiáng)FKM交聯(lián)點(diǎn)的新型網(wǎng)絡(luò)。研究人員準(zhǔn)備了4種具有不同炭黑粒徑比的FKM樣本，炭黑的粒徑分別是9.9 nm（樣本A）、4.4 nm（樣本B）、1.5 nm（樣本C）和1.0 nm（樣本D）。為了驗(yàn)證因炭黑導(dǎo)致的物理性能改善情況，研究人員在25 ℃和160 ℃下對(duì)4種樣本的物理性能進(jìn)行了比較。

如圖8所示，關(guān)于延伸系數(shù)和拉伸強(qiáng)度特性的研究結(jié)果表明，通過改變炭黑類型，可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的改善。炭黑粒徑越小，性能的改善幅度越大。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是炭黑表面積增大，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的凝膠，從而使網(wǎng)絡(luò)得到強(qiáng)化。

3.3 具有強(qiáng)化高溫延伸系數(shù)的FKM材料的開發(fā)

減小炭黑粒徑是強(qiáng)化FKM材料所采用的主要方法。FKM強(qiáng)化的具體情況見表2。研究人員針對(duì)每種開發(fā)材料制備了軟管樣件，并在軟管臺(tái)架上對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，以驗(yàn)證改進(jìn)幅度。由于實(shí)際零件即使在局部應(yīng)力下也需要熱阻，因此研究人員在評(píng)價(jià)中采用當(dāng)前軟管形狀，從而確保能夠直接采用新型FKM材料。

由于階段1的力學(xué)性能惡化是不可避免的，因此研究人員通過采用相對(duì)于當(dāng)前材料具有更高初始延伸系數(shù)的聚合物及對(duì)炭黑混合物實(shí)施改性，達(dá)到改善高溫下延伸率的目的。但是，試驗(yàn)人員在軟管臺(tái)架試驗(yàn)中還是觀察到了開裂現(xiàn)象。

在階段2中，研究人員通過增加炭黑含量試圖進(jìn)一步改善延伸系數(shù)，結(jié)果導(dǎo)致成形軟管的厚度變化很大。盡管抑制了臺(tái)架試驗(yàn)后波紋管處的開裂，但是應(yīng)力集中導(dǎo)致卡箍裝配后發(fā)生大部分開裂現(xiàn)象。

在階段3中，通過重整混合物改善了流動(dòng)性和成形性。但在臺(tái)架試驗(yàn)后，試驗(yàn)人員還是在成形軟管內(nèi)部的波紋管和卡箍裝配部位觀察到了開裂現(xiàn)象。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用圖9中的聚合物I（偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物）材料無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能和成形性的進(jìn)一步改善。因此，不考慮由于氟含量較低導(dǎo)致化學(xué)穩(wěn)定性下降的問題。研究人員在階段4中采用了在室溫下具有高延伸系數(shù)的聚合物II（偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物）。研究人員將從早期樣本獲得的混合技術(shù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于階段4中采用的聚合物II上。圖10為在未來發(fā)動(dòng)機(jī)溫度要求下，階段1至階段4的延伸系數(shù)及每種材料軟管的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果。在所有的改進(jìn)材料中，最高的延伸系數(shù)出現(xiàn)在階段4，達(dá)到了目標(biāo)值。此外，在臺(tái)架試驗(yàn)后軟管未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖11為針對(duì)階段4的熱老化性能、耐油性和燃料耐油性評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，試驗(yàn)結(jié)果都達(dá)到了延伸系數(shù)的目標(biāo)值，且通過了軟管臺(tái)架試驗(yàn)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、附著強(qiáng)度評(píng)價(jià)和抗彎曲疲勞性評(píng)價(jià)分別見圖12、圖13和圖14。較低的氟含量不會(huì)導(dǎo)致化學(xué)穩(wěn)定性下降，且每個(gè)評(píng)價(jià)的結(jié)果都優(yōu)于或與當(dāng)前材料的試驗(yàn)結(jié)果持平。熱老化后的材料附著性能和抗彎曲疲勞性大幅改善。由于炭黑凝膠導(dǎo)致的橡膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化是實(shí)現(xiàn)前述大幅改善的主要原因，因此采用炭黑凝膠強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)是進(jìn)一步提升具有優(yōu)良熱阻和化學(xué)穩(wěn)定性的FKM功能性的1種有效途徑。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)的開發(fā)研究明確了以下2個(gè)要點(diǎn)：（1）加熱時(shí)，F(xiàn)KM內(nèi)層的材料性能無法滿足未來發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境要求;（2）開發(fā)目標(biāo)要求在保持環(huán)境穩(wěn)定性和材料成形性的同時(shí)提高在高溫狀態(tài)下的機(jī)械強(qiáng)度。研究人員通過向聚合物II（偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物）中添加炭黑凝膠使網(wǎng)絡(luò)得到了強(qiáng)化，從而實(shí)現(xiàn)了開發(fā)目標(biāo)。

日野公司在新一代Ranger車型上安裝了新開發(fā)的中冷器軟管。該車型參加了2019年度達(dá)喀爾汽車?yán)惖恼麄€(gè)賽事，總名次位列第9名，在同等級(jí)別（排量小于10 L）的車型中位列第一。

[1]YOSHITOMI K， FUNAYAMA Y， ISHII M， et al. Effects of ambient density on diesel combustion[C].2018 JSAE Congress （Autumn）， 2018：168-18.

孫丹紅 譯自 SAE Paper 2020-01-0236

虞 展 編輯

（收稿時(shí)間：2020-12-21）