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バッテリーパックの液体コールドプレートを支持するために使用される発泡シリコーンゴムの疲労試験分析

2019-05-14

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1.背景紹介


発泡シリコーンゴムは、発泡後のシリコーンゴムでできた柔軟で多孔質の高分子弾性材料で、シリコーンゴムと発泡材料の特性を組み合わせた新しいタイプの高分子材料です。発泡シリコーンゴム材料は、優れた熱安定性、耐食性、高温耐衝撃性を備えており、幅広い要件を満たすことができます。発泡シリコーンゴムは、固体シリコーンゴム材料と比較して、低密度、比表面積が大きい、エネルギー吸収性が良い、熱伝導率が低い、吸音性能、遮音性などの特徴があり、幅が広い。アプリケーションの範囲。現在、新エネルギーバッテリーパックのサポートにおける発泡シリコーンゴムの適用が詳細に紹介されています。


新エネルギーバッテリーパックの設計では、水冷プレートは熱伝導媒体を介してバッテリーパックと密接に接触し、過剰な熱を伝達しますが、高温条件下での長期的な乱流下では、熱伝導媒体が薄くなり、液冷板との接触が薄くなります。液冷板がバッテリーパックの熱を効果的に伝達できません。液体コールドプレートを熱伝導媒体と密着させるために、支持に使用される発泡シリコーンゴムは、バッテリーパックが長期間良好な作業性能を維持できるように、長期的な反発力を提供する必要があります。発泡シリコーンゴム製品は一定の圧力と繰り返しの変形で使用されるため、周期的な交互荷重の作用下で、発泡シリコーンゴム製品の性能は疲労により劣化し、材料を損傷することさえあり、その使用品質、すなわち圧縮を低下させます疲労現象。発泡シリコーンゴムの耐用年数を明らかにするために、発泡シリコーンゴムの耐疲労性をテストして、圧縮疲労の時間と性能の変化を特徴づける必要があります。


発泡シリコーンゴムの耐疲労性試験は圧縮疲労試験と呼ばれ、繰り返し圧縮応力下での発泡ゴムの発熱と疲労破壊を調べる試験です。試験中、特定の予応力または予ひずみ条件下で特定の形状のサンプルに周期的な応力またはひずみを加えてから、サンプルの温度上昇、応力、および変形の変化を測定するか、サンプルが破損するまで続けます。所要時間。疲労性能試験は、現在、柔軟な発泡材料の耐久性を反映する最も重要な物理的性能指標です。



2.現状分析


2.1既存の試験基準


軟質フォームポリマー材料の動的疲労試験は、通常、一定変形または一定荷重疲労法を使用する特殊な疲労試験機を使用して、材料の降伏限界未満の限界内で材料を交互の応力または変形にさらすことを指します。現在、動的疲労試験に関連する試験基準が国際的にも国内的にも確立されています。


国際規格ISO3385柔軟な気泡高分子材料-定荷重パウンディング試験法による疲労の決定は、定荷重反復押込み疲労試験法を使用します。この規格は、サンプル面積よりも小さい圧子と70±5Hzの周波数を使用する特殊な軟質フォーム疲労試験機を使用して、最大圧痕に達するたびに、軟質フォームサンプルを最大80,000回まで繰り返し圧縮します。戻る負荷が限界値(750N±20N)に達したとき。次に、試験前後の材料の機械的特性(厚さと硬度の低下)を比較して、軟質フォームポリマー材料の疲労性能を理解します。標準サンプルは、長さ380mm±20mm、厚さ50mm±2mmの直方体で、数は3個です。米国材料試験協会の標準ASTMD 3574-I3「フレキシブルフォーム材料-バルク、接着剤、成形ポリウレタンフレキシブルフォームプラスチックの性能の試験方法」およびその試験原理とサンプルの要件は、ISO3385に準拠しています。


中国の軽工業業界標準QBT2819-2006「軟質フォーム材料の長期疲労性能の決定-厚さと硬度の損失」は、ISO 3385標準を参照して策定されています。これは、定荷重および繰り返しの疲労試験方法でもあります。インデント、試験原理、および試験片標準ISO3385に準拠している必要があります。国家規格GB / T 1687.3-2016「曲げ試験における加硫ゴムの温度上昇と耐疲労性の測定パート3:圧縮曲げ試験(定ひずみタイプ)」は、一定のひずみ振幅での圧縮曲げ試験における加硫ゴムの温度を提供します。持ち上げおよび疲労性能の試験方法。加硫ゴムの疲労寿命を測定する場合、材料の損傷は内側から始まり見えないため、この規格の試験方法は間接的です。


現在、軟質発泡ポリマー材料の疲労性能の評価には定荷重法の方が効果的であるため、定荷重繰り返し圧痕法が広く使用されています。一定荷重の繰り返し押し込み法により、軟質フォーム材料の最大荷重(繰り返し押し込みによってサンプルが徐々に柔らかくなる場合を含む)を常に制限された範囲内に維持できるためです。定変形繰り返し押し込み法では、繰り返し押し込みによりサンプルが徐々に柔らかくなった後、試験開始時に一定変形を維持するために必要な最大荷重値(厚さの50%など)が大幅に減少します。 、疲労試験プロセスで前後の凹凸が見られるため、あまり科学的ではありません。もちろん、定変形繰り返し圧縮法の疲労試験機は製造が容易であり、試験工程も比較的簡単であるため、発泡シリコーンゴムの耐疲労性を反映するためによく使用されます。


2.2テストの影響要因



同じ材料の場合、同じ断面積のサンプルを異なる高さに圧縮すると、異なる圧力が発生します。したがって、フォーム材料の圧縮反発力は、サンプルの圧縮厚さと断面積に関連しています。材料が異なれば、圧力の大きさは材料自体と材料構造に関係します。材料構造には、相構造、細孔構造、相配置と組み合わせなどが含まれます。


3.既存製品と比較製品のデータ分析


発泡シリコーンゴム素材は、バッテリーパックのサポートに使用すると圧縮状態になりますが、素材自体のエージング速度が遅いため、10年以内の通常の使用も保証できます。 2.1の標準に準拠しているため、圧縮回数が少なすぎて不可能ではありません。材料のライフサイクルをより正確に予測できます。


発泡シリコーンゴムの耐疲労性を反映するために、同じ材料、同様の密度の発泡シリコーンゴムを収集し、動的圧縮後の厚さの減少と圧縮反発力を観察しました。同時に、テストを増やすために強度、百万(10 6)繰り返し圧縮試験、試験方法は一定変形圧縮を採用し、圧縮量はサンプルの厚さの40%です。


3.1サンプル準備


採取したサンプル:密度は約500 kg / m 3、東関光舞電子技術有限公司製のGM-500およびTZ-500発泡シリコーンゴム製品、および会社が製造した同じ密度のXXX発泡シリコーンゴム製品米国では


サンプルを収集します。厚さ約6mm、直径38mmの円柱です。


320万回の圧縮データのテストと分析


厚さ試験機を使用してサンプルの特定の厚さを測定し、電子比重計を使用してサンプルの密度を測定し、デスクトップ電子顕微鏡(Shanghai HITACHI、TM3030Plus)を使用して製品の微視的外観を観察します。電子動的および静的万能材料試験機(US INSTRON、E3000)を使用し、動的一定変形モードを使用して、周波数は3.5 Hz、100万回圧縮されたサンプルの荷重変化を記録し、圧縮反発力変化曲線が計算されます(図1を参照)。サンプルがテストされた後、24時間復元され、その厚さが測定および記録されます。サンプルの密度、厚さ、および反発力損失のデータを表1に要約します。


図1と表1から、100万回の圧縮の過程で、3つの製品の厚さの損失は非常に小さく、ほぼ0%であることがわかりますが、反発力の損失と負荷の損失は大きく異なります。製品の圧縮です。 GM-500反発力は227〜210 KPaの範囲で変動し、製品TZ-500の圧縮反発力は251〜233 KPaの範囲で変動し、両方の反発力損失と負荷損失は8%未満です。リバウンド力の損失と製品の負荷XXX損失> 30%。


現在、世界のさまざまな軟質発泡材料の疲労試験性能要件に厳しい規制はありませんが、さまざまな基準で包括的に、軟質発泡ポリマー材料の疲労性能試験では、耐疲労性が80,000回または100,000回繰り返されますさまざまな用途に応じて、厚さの損失は5%以下である必要があり、40%の押し込み硬度の損失は13%〜50%以下である必要があります。表1の何百万回もの圧縮を繰り返した後の厚さと硬度の損失データを比較すると、製品GM-500とTZ-500の性能は国際規格の要件よりもはるかに優れていますが、製品XXXの性能は標準要件の範囲内です。 。

上記の製品の性能の変化は、図2の微細構造から説明できます。製品GM-500、TZ-500の電子顕微鏡写真では、大穴と小穴が千鳥状に配置されており、穴の壁が厚い。製品XXXでは、大穴の数がそれよりはるかに多い。小さな穴で、細孔径分布が不均一で、穴の壁が比較的厚くて薄い。


3.3反発力に影響を与える要因の分析


異なるサンプルの疲労試験で圧縮反発力が失われる主な理由は2つあります。①圧縮プロセス中に、独立気泡にかかる外力>細胞壁の耐久限度により、独立気泡が押しつぶされます。構造と性能が低下します。


理由1は、発泡材料が完全に開いたり閉じたりしていないため、連続気泡材料としての連続気泡率は一般に> 90%(95%は境界点としても使用されます)です。連続気泡材料の場合、セルは相互に通信します。外力が加えられると、発泡材料内の空気のみが絞り出されます。外力がなくなると、空気は再び発泡材料に入ることができます。独立気泡材料の場合、圧縮プロセス中に外圧が加えられると、独立気泡内の空気が圧縮され、内圧が上昇します。力の方向に垂直な細孔壁が圧縮ガスの圧力に耐える場合(図を参照)特定の力の図については2)セルの壁が限界よりも大きい場合、閉じたセルは押しつぶされます。外力がなくなると、圧縮ガスが急速に拡散してセルを元の形状に戻します。混合セルフォーム材料の場合、2つの応力モードが共存します。フォーム材料のセル壁が耐えることができる外力の限界は、材料自体の弾性と厚さによって決まります。同じ材料の場合、セル壁は薄くなります。 、セルを閉じるのが簡単です。押しつぶされるほど、反発力の損失が大きくなります。


理由2は、細孔壁の構造と性能が材料自体(ゴム、加硫システム、フィラーなどの構造を含む)に関連しており、材料自体は式とプロセスによって決定されます。たとえば、ガラス転移温度が低いゴムは耐疲労性が高く、極性基を有するゴムは耐疲労性が低く、単一硫黄結合加硫システムが最高の疲労性能を示し、架橋剤の量を増やすと、加硫物の疲労性能。


図2と図3の分析と組み合わせると、発泡シリコーンゴムの優れた耐老化性により、3つの製品を100万回圧縮した後の反発力の損失の違いは主に次の理由によることがわかります。 XXXの不均一なセル構造と薄いセル壁。上記の分析によると、実際のアプリケーションでは、バッテリーパックのサポートに発泡シリコーンゴム材料を選択するときは、圧縮反発力の損失が小さい製品、つまりGM-500またはTZ-500を選択する必要があります。そうしないと、提供できません。長期的な長期的なリバウンド力。


4、結論


次の結論は、同等の密度を持つ3つの製品(GM-500、TZ-500、およびXXX)の何百万回もの成形と圧縮後の反発力の損失を調べることによって導き出すことができます。


(1)GM-500およびTZ-500の100万回の圧縮あたりの反発力損失はそれぞれ7.49%および7.17%であり、どちらも8%未満です。両方の製品の厚さ損失は0%であり、微視的形態には大きな穴があります。 。そして、小さな穴は均等に分布し、穴の壁は厚いです。


(2)100万回の圧縮あたりの製品XXXの反発力損失は34.54%、厚さ損失は0.15%です。微視的形態には大きな穴が多く、穴の壁は薄くなっています。


(3)バッテリーパックのサポートに発泡シリコーンゴム材料を選択するときは、圧縮反発力の損失が小さい製品、つまりGM-500またはTZ-500を選択する必要があります。そうしないと、長期間使用できません。長期的なリバウンド力。


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