汽车内外饰设计的塑料失效机理

通常情况下，车用塑料件按照所应用的不同位置，基本可以分为内饰件、外饰件及发动机舱部件。因此对材料应具备的功能的要求会有较大差异，主要表现在如力学性能、耐热性、热老化、光老化等方面。当材料在这几个方面的耐受力不足时，就会引起零部件的失效。因此在设计零部件的材料性能时，必须做好失效分析。现就这几个方面分别加以阐述。

1.力学性能

力学性能是保证材料所应用的零部件能够保持其基本的形状和使用要求的基本性能，这里主要体现在刚性和韧性，即通常所说的抗弯曲变形和抗冲击性的能力，二者是互为矛盾和制约的两个材料基本特性。追求改性塑料的刚性和韧性平衡，使材料获得卓越的综合性能，一直是高分子材料研究和开发领域讨论的永恒主题。

1）作为汽车用塑料件，对于韧性要求最高的保险杠材料，具有典型的代表性，通过分析其应用特点可以获悉材料刚性和韧性的基本特征。

现如今作为主流被采用的汽车保险杠材料，聚丙烯改性材料由于其优异的综合性能已被广泛认可。但由于聚丙烯材料的种类非常繁多，不同种类的聚丙烯性能差异较大，同时其改性的空间也非常大，有时会给选用者造成些许困惑，不知该如何选材，如选择不好则达不到最终的使用目的，即零部件性能失效，这里主要表现在材料的抗冲击性能方面。

保险杠材料抗冲击性能的失效，通常情况下，意味着零件在实际使用过程中受到外界的撞击力导致基体材料发生破裂或击穿等不可恢复的严重形变。如车体以一定的行驶速度撞击护栏，又如汽车在行驶过程中遇有飞石击打表面，甚至如与其他车辆或行人相撞，都属于有可能发生保险杠失效的过程。因此，保险杠材料的性能设计主要应考虑这一尽可能在撞击过程中吸收较多的能量的要求，达到既能保护车辆又充分保护行人，减轻所受伤害的目的。考虑到汽车行驶的地理区域，材料的设计也必须考虑当地气温的高低，如在纬度较高的地区必须将低温的抗冲击特性考虑在内，这又给材料设计增加了一定的难度。

保险杠制件的尺寸通常比较大，且近年来的设计更趋于轻量化薄壁的设计，在保证较高韧性的同时，必须满足其装配和使用对材料刚性的要求。汽车在行驶时，路况的好坏会给所有塑料件的装配带来严格的要求，尤其是保险杠。在刚性不足的情况下，长期的道路颠簸，整个车身及装配结构的振动会加剧高分子材料的蠕变行为，从而导致装配结构松动，严重的会使保险杠脱落。

2）对于车用部件耐热性能最典型的部位应属发动机舱内的部件。由于发动机的工作，其长期工作在高温环境中，通常温度可达80～150℃，这对材料在高温情况下仍旧保持良好的力学性能提出了严格的要求。当环境温度较高，超出塑料部件所能承受的范围时，零部件会发生软化、变形，甚至发生熔融，引发危险。典型的部件如塑料进气歧管、发动机罩盖、齿轮罩盖、空滤壳体、电器壳体、冷却风扇等，如实际温度接近或高于材料的熔点或熔程则必然会导致零部件的软化和熔融。一般在设计零部件选材时，都应保证材料的长期使用最高温度，至少要低于材料的熔点或熔程起始温度30℃以上，方可保证正常使用。

2.耐热老化性能

1）零部件的耐热老化性能主要依赖于零部件的使用环境和材料耐热老化性能的好坏。当零部件长期应用在高温环境当中，则加剧了材料内部发生氧化降解反应的速度，这一过程随温度升高，材料老化失效得越快，如图4-52所示。

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图4-52 塑料老化关系

2）材料发生热老化时，会发生分子链的断裂、交联、化学结构的变化及侧链的变化等，不同的材料发生老化时的形式不同。材料发生热氧老化的机理一般认为是引发了分子链上的薄弱环节，如C—H键发生断裂，产生自由基，从而发生氧化，导致分子链的变化，这一过程不断循环，如图4-53所示。宏观表现为褪色、泛黄、粉化及表面开裂等，另一方面其力学性能，如冲击强度、拉伸强度等性能均下降。

如图4-53所示，如果与金属接触，也会催化加速接触部位的氧化过程。防止热老化主要以抑制自由基的产生和限制链反应加剧为主。

3.耐光老化性能

汽车的使用环境比较复杂而苛刻，有烈日炎炎，有风沙雨雪，因此对材料的耐环境性能是个极端的考验，这在设计阶段必须要充分予以考虑。

图4-53 塑料热氧老化机理

在诸多环境因素中，最具影响力的莫过于阳光的暴晒，而阳光中能量最高的紫外线部分，最容易使高分子材料引发光照老化。老化以后的制件表面会出现粉化、龟裂、发黄等外观缺陷，材料的力学性能的保持率也将随着老化的程度加深而衰减，最终将失去其原有的功能。

耐光老化的机理与热老化类似，同样是伴随着光氧化反应，使材料表面发生如变色、斑点、失去光泽等直观的老化现象，同时伴随着冲击强度、拉伸强度、等力学性能的下降。与热老化所不同的，在于引发源的不同，即一个是电磁辐射，一个是热能，因此在设计材料的抗氧老化性能时需采取不同的方式。对于光老化则需根据情况，选择诸如光屏蔽剂、紫外线吸收剂、猝灭剂、自由基捕获剂等。