吳旭 陳超 高祥達

（東風汽車集團股份有限公司技術中心，武漢 430056）

1 前言

聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，是一種綜合性能優(yōu)良的無毒透明無定型熱塑性工程塑料[1]。PC在-60~120℃環(huán)境下具有穩(wěn)定的力學性能而且尺寸穩(wěn)定性、電性能和阻燃性能均優(yōu)異，因此被廣泛應用于汽車車燈和開關類零件。

PC零件的應力來源分為內(nèi)應力和外應力。內(nèi)應力是由于PC分子鏈剛性較大，且材料熔體黏度較高，因而注塑時極易取向和結晶，冷卻后內(nèi)應力被凍結在制品當中[2-4]。外應力主要是由于過盈裝配或零件變形擠壓導致的外部應力。

一般在某些環(huán)境條件的誘導下應力較大的PC零件會出現(xiàn)應力開裂或翹曲變形等問題。誘導PC零件應力開裂的因素主要有交變溫度、高能射線、特定油脂、溶劑等[5-7]。

溶劑環(huán)境下的開裂失效類似于蠕變失效?；瘜W溶劑的存在使聚合物材料容易發(fā)生塑化，降低屈服強度。微觀角度上看溶劑的滲透作用降低了分子間作用力，造成了銀紋/裂紋的萌生且增加擴展速度，從而極大地縮短了失效時間[8-10]。冷熱交變誘導開裂則是因為零件各部位熱脹冷縮不一產(chǎn)生的熱應力與塑料件本身的內(nèi)應力協(xié)同作用，加速了塑料件缺陷的擴展，并最終開裂失效。

汽車PC開關作為外觀件而廣泛分布于啟停換擋系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及娛樂系統(tǒng)等，與乘客的駕乘體驗緊密相關。PC開關失效會顯著降低乘客體驗感，嚴重還會危及乘客生命安全并對品牌形象產(chǎn)生嚴重損壞。

針對PC開關的應力開裂問題，調(diào)撥售后失效同批次零件并采用不同條件的退火工藝進行改善，運用溶劑浸泡以及氣候交變循環(huán)等方法嘗試地進行了應力表征。

2 試驗部分

2.1 主要原料

溶劑1：四氯化碳CCl4，分析純，南京化學試劑股份有限公司；

溶劑2：丙酮C3H6O,分析純，南京化學試劑股份有限公司；

溶劑3：冰乙酸CH3COOH，無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司；

溶劑4：乙酸乙酯C4H8O2，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；正丁醇C4H10O，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；按照2∶1比例組成混合溶劑。

2.2 試驗設備

氣候循環(huán)設備：偉思富奇T/C4-180氣候模擬試驗箱；

烘箱：愛斯佩克/ESPEC烘箱LC-213；

通風櫥、秒表、燒杯、玻璃棒若干。

2.3 試驗樣品

為了更好地改善PC開關產(chǎn)品，選取產(chǎn)線出現(xiàn)開裂失效的兩種開關的同批次零件各180個進行試驗研究。樣品如圖1所示。

圖1 Sport鍵與Phone鍵

開關材料牌號為科思創(chuàng)PC2407；表面油漆牌號為616-9068浙江威寶涂料有限公司。開關表面按照現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)噴漆，卡接處和按鈕背面均無噴漆。

2.4 開關前處理

為了更好地驗證開關應力改善的方法，將開關面板與底座裝配好進行退火處理的零件稱為部品。開關面蓋與底座分開同條件退火處理再進行裝配的稱為單品。

退火條件共有6種。

a.部品80℃，0.5 h;

b.部品80℃，1 h;

c.部品90℃，0.5 h

d.部品90℃，1 h;

e.單品90℃，0.5 h退火后裝配;

f.單品90℃，1 h退火后裝配。

2.5 溶劑誘導開裂測試

在23℃，50%RH條件下的通風櫥內(nèi)將不同條件處理后的開關樣件置于裝有適量溶劑的燒杯中浸沒，同時按下秒表，在規(guī)定的時間點迅速取出脫脂棉擦干。進行1次開關按鈕和底座拆解裝配，記錄開裂數(shù)量和比例。

2.6 氣候循環(huán)測試

將不同退火條件處理的開關置于氣候循環(huán)箱內(nèi)，經(jīng)設定的50個循環(huán)（80℃,4 h→-40℃,4 h）后取出，在23℃,50%RH條件下調(diào)節(jié)24 h。進行1次開關按鈕和底座拆解裝配，記錄開裂數(shù)量和比例。

3 試驗結果與討論

3.1 CCl4應力檢測

從表1和圖2可以看到未經(jīng)過退火處理的開關面蓋浸沒在CCl4中20 s并未發(fā)生開裂，而未經(jīng)過退火處理的部品零件卻全部開裂。由圖3可見部品開裂的位置集中在面蓋與底座卡接的位置，由此可見造成樣品開裂的主要原因在于裝配過盈的外應力。隨著部品退火處理的溫度提高以及時間延長可以發(fā)現(xiàn)開裂的數(shù)量和比例在呈現(xiàn)下降的趨勢。嘗試對開關面蓋和底座分開同條件進行退火處理，裝配后進行CCl4應力檢測，發(fā)現(xiàn)應力開裂的情況并沒有顯著的改善。可見，退火處理應當在裝配后進行才能取得良好的應力改善效果。同時根據(jù)表中數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)部品90℃，1 h退火處理后的應力改善效果最好。

表1 PC開關耐CCl4應力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

圖2 Sport鍵面蓋無前處理（無裝配CCl4浸泡20 s）

圖3 Sport鍵部品無前處理（CCl4浸泡20 s）

從表中數(shù)據(jù)也可見CCl4是檢測PC零件應力的有效手段，但是由于其毒性較大、采購困難且誘導開裂時間短、難以把控等缺點將逐漸被淘汰。

3.2 丙酮應力檢測

從表2和表1對比可以看出丙酮誘導PC開裂的效果較CCl4弱，退火處理的效果上看部品90℃，1 h處理的條件是最好的。另外，從圖4和圖5可以看到丙酮誘導開關開裂也是集中在面蓋和底座的卡接處，并且與開關的基材發(fā)生了反應，形成了白色粉狀物質(zhì)。鑒于丙酮屬于管制類溶劑且與開關油漆和PC開關基材發(fā)生反應，不適宜作為PC開關的應力檢測溶劑。

表2 PC開關耐丙酮應力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

圖4 Phone鍵單品90℃，0.5 h退火后裝配（丙酮浸泡3 min）

圖5 Phone鍵單品90℃，1 h退火后裝配（丙酮浸泡3 min）

3.3 乙酸應力檢測

從表3可以看出冰乙酸對誘導PC開關應力開裂的作用很弱，無法有效判斷開關的應力開裂情況以及退火的規(guī)律。從圖6中還可以看到冰乙酸對開關表面油漆的侵蝕較為嚴重，不適合作為本PC開關的應力檢測溶劑。

圖6 Sport鍵單品90℃，0.5 h退火后裝配（冰乙酸浸泡5 min）

表3 PC開關耐乙酸應力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

3.4 混合溶劑應力檢測

試驗試劑為乙酸乙酯:正丁醇=2:1的混合溶劑。從表4可以看到混合溶劑對未進行退火處理的兩種部品開關浸泡5 min后均有開裂的情況出現(xiàn)。經(jīng)過退火處理后的兩種部品開關應力開裂檢測情況均有明顯的改善，其中90℃，1 h退火處理后的兩種部品開關均沒有出現(xiàn)開裂。另外，兩種開關單品90℃，1 h退火后裝配的應力檢測開裂數(shù)量明顯高于90℃，0.5 h退火后的。這說明面蓋和底座分開進行退火處理，隨著時間的延長反而可能造成變形量加大進而導致組裝后的裝配應力增大。由圖7和圖8可見混合溶劑并沒有與開關表面油漆以及基材發(fā)生明顯的反應。由于乙酸乙酯和正丁醇均為低毒易購買的非管制溶劑且混合溶劑應力檢測效果較好，具備替代CCL4作為應力檢測溶劑的潛力。

表4 PC開關耐混合溶劑應力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

圖7 Sport鍵部品無前處理（混合溶劑浸泡5 min）

圖8 Sport鍵單品90℃，0.5 h退火后裝配（混合溶劑浸泡5 min）

3.5 耐氣候循環(huán)應力檢測

根據(jù)乘客艙的極限溫度工況設置的溫度范圍為-40～80℃，其中80℃環(huán)境的濕度為95%RH。循環(huán)條件為80℃,4 h→-40℃,4 h,共計50個循環(huán)。從表5可見沒有開關發(fā)生冷熱交變誘導應力開裂的情況出現(xiàn)，證明冷熱交變氣候循環(huán)沖擊不適合PC開關的應力檢測。

表5 PC開關耐氣候循環(huán)應力檢測數(shù)據(jù)(開裂數(shù)/試樣數(shù)，失效比)

圖9 Sport鍵單品90℃,1 h退火后裝配（80℃,4h→-40℃,4 h,50個循環(huán)）

圖10 Phone鍵單品90℃,1 h退火后裝配（80℃,4 h→-40℃,4 h,50個循環(huán)）

4 結論

a.體積較小的PC開關以裝配應力為主導，內(nèi)應力的影響較小；

b.PC開關應力檢測溶劑的選取原則是能夠誘導再現(xiàn)失效件同批次零件的應力開裂，且能較好地表征出各種退火條件的優(yōu)劣差異；

c.CCl4由于腐蝕性較強且毒性較大，將逐漸被環(huán)保型的應力表征溶劑替代。丙酮由于與PC開關發(fā)生反應且屬于管制類溶劑等缺點也不適合作為應力表征溶劑。冰醋酸由于應力誘導作用甚微且與開關油漆發(fā)生反應也不宜選擇；

d.乙酸乙酯:正丁醇=2:1的混合溶劑能夠很好地表征PC開關的應力情況，適合作為應力表征溶劑提前識別PC開關零件的應力開裂風險；

e.冷熱氣候循環(huán)沖擊對誘導小型PC開關應力開裂的作用很小，無法作為PC開關應力開裂風險的識別手段；

f.PC開關需面板和底座裝配后再進行退火處理才有效果，經(jīng)驗證面板和底座分別退火再裝配幾乎沒有應力改善效果甚至會加重應力開裂的失效風險；

g.采用90℃，1 h退火條件對裝配好的PC開關部品進行退火處理能夠顯著降低開關應力，大大降低應力失效風險。