碳納米聚氨酯泡沫結(jié)構(gòu)及其改善B柱吸能特性研究?

崔 岸，孫文龍，李 彬，程 普

(吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025)

前言

車(chē)輛結(jié)構(gòu)耐撞性對(duì)于保護(hù)駕乘人員免受過(guò)度沖擊極其重要。在碰撞事故中，車(chē)輛的結(jié)構(gòu)通常有兩個(gè)作用，即能量吸收和增加乘員生存空間。在正面碰撞時(shí)，汽車(chē)結(jié)構(gòu)采用多載荷路徑，將碰撞能量在傳輸?shù)匠藛T艙之前轉(zhuǎn)化為壓縮能量，從而保護(hù)駕乘人員安全。而側(cè)面碰撞時(shí)，由于車(chē)輛側(cè)面空間相對(duì)狹小，使駕乘人員的安全更難保證，因此，研究側(cè)面碰撞安全性具有重要意義。提高汽車(chē)結(jié)構(gòu)的吸能能力是提高汽車(chē)耐撞性的關(guān)鍵。

薄壁管結(jié)構(gòu)是車(chē)身常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式。將吸能材料填充于薄壁管腔中，是提高其吸能能力的最有效方法之一[1]。聚氨酯泡沫作為汽車(chē)常用材料，將其填充到薄壁管中，可提升構(gòu)件的吸能能力[2]。但其吸能效果比其它吸能材料(例如泡沫鋁)偏低[3]。納米技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了新型材料的研發(fā)，可開(kāi)發(fā)出高吸能低密度的復(fù)合材料。而碳納米管作為一種具有超高強(qiáng)度、高模量的納米原材料，能有效改善材料性能。

傳統(tǒng)碳納米管復(fù)合材料的研究主要集中在兩方面:一方面是碳納米管金屬?gòu)?fù)合材料[4-7]，這是碳納米管復(fù)合材料研究的主流方向；另一方面則是碳納米管與聚合物相結(jié)合[8-10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)碳納米管復(fù)合材料及其應(yīng)用展開(kāi)了相關(guān)的研究。比如碳納米管增強(qiáng)2024鋁基復(fù)合材料，能有效提高材料硬度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度，而不降低其延伸率[11]；石墨烯碳納米管復(fù)合材料中，石墨烯和碳納米管之間會(huì)產(chǎn)生一種協(xié)同效應(yīng)，使其各種物理化學(xué)性能得到增強(qiáng)[12]；而在制備高分子復(fù)合材料時(shí)，將碳納米管填充到復(fù)合材料中，可明顯改善復(fù)合材料的性能，包括傳導(dǎo)性、強(qiáng)度、彈性、韌性和耐久性等[13-15]。目前對(duì)碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行了一定的研究，但缺乏對(duì)其在吸能方面的針對(duì)性研究。因此加強(qiáng)碳納米管復(fù)合材料吸能特性與應(yīng)用的研究很有實(shí)際意義。

本文中基于聚氨酯泡沫在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用及碳納米管的高強(qiáng)度和高剛度特性，將碳納米管作為聚氨酯泡沫的填料，制備不同含量的碳納米聚氨酯泡沫，從而研究該泡沫及其填充薄壁管復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸能特性，并通過(guò)應(yīng)用于某轎車(chē)B柱來(lái)驗(yàn)證在實(shí)際零部件上的吸能效果，實(shí)現(xiàn)在滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化的同時(shí)，提高汽車(chē)耐撞性的目的，也豐富汽車(chē)吸能材料的研究。

1 碳納米聚氨酯泡沫制備與性能試驗(yàn)

1.1 樣件制備

分別制備了低密度的普通聚氨酯泡沫和碳納米管質(zhì)量比為1%，2%，3%，4%和5%的碳納米聚氨酯泡沫樣本。首先，采用一步法制備普通聚氨酯泡沫材料[16]，密度為37kg/m3；采用物理共混法制備碳納米聚氨酯泡沫樣本[17]，配方如表1所示。采用超聲分散儀進(jìn)行超聲分散，增加碳納米管在基體材料中的分散性。碳納米聚氨酯泡沫的主要成分包括異氰酸酯、碳納米管、多元醇和助劑，其發(fā)泡工藝如圖1所示。

表1 碳納米聚氨酯泡沫配方

圖1 碳納米聚氨酯泡沫發(fā)泡工藝示意圖

碳納米聚氨酯泡沫的制備過(guò)程如下。

(1)量取不同質(zhì)量的碳納米管。然后將碳納米管與聚醚三醇混合。最后將混合物用超聲分散35min，產(chǎn)生均勻分散體。為避免超聲處理期間的溫度升高，將混合燒杯浸入在約±1℃的恒溫槽中進(jìn)行外部冷卻。

(2)將混合乳液與TDI100以質(zhì)量比5∶2的比例混合并置于燒杯，然后使用機(jī)械攪拌器以2 500r/min的速度攪拌15～18s。

(3)迅速將混合物倒入模具中，讓其自由反應(yīng)，再置于真空干燥箱中37.8℃固化24h。固化后，從模具中取出，得到所需的泡沫材料。

1.2 吸能理論

單位質(zhì)量材料吸收的能量稱(chēng)之為比吸能(SEA)。比吸能是吸能理論中評(píng)價(jià)材料吸能能力的重要參數(shù)。為計(jì)算比吸能，首先應(yīng)完成能量的計(jì)算，即載荷位移-曲線中曲線下方的面積:

式中:W為壓縮過(guò)程吸收的總能量；P為壓縮載荷；l為壓縮位移。

假定這種壓縮方式是漸進(jìn)型的過(guò)程可得

式中:Pm為平均壓縮載荷；Li為壓縮初始位移；Lf為壓縮最終位移。

比吸能可以用總的吸收能量與樣本的總質(zhì)量的比值表示，即

式中m為試驗(yàn)樣本的總質(zhì)量。

結(jié)合式(2)和式(3)，可將比吸能的計(jì)算公式演化為

式中:σm為試驗(yàn)樣本的壓應(yīng)力；K＝Lf/L，為試驗(yàn)樣本的可壓縮性。

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)分析

準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)主要包括:壓縮、拉伸和三點(diǎn)彎曲。首先制備6組不同含量的標(biāo)準(zhǔn)樣件，如圖2所示。樣件長(zhǎng)、寬、高為30，30和15mm，對(duì)4種質(zhì)量配比的樣件，通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)確定最佳的碳納米管含量。試驗(yàn)前，對(duì)樣件進(jìn)行打磨處理，使樣件受力均勻。試驗(yàn)過(guò)程分為線彈性變形階段、彈塑性變形階段、屈服階段和致密化階段，如圖3所示。獲得的樣件載荷-位移曲線如圖4所示。

式中:V為試驗(yàn)樣本的體積；ρ為試驗(yàn)樣本的密度；A為試驗(yàn)樣本的底面積；L為試驗(yàn)樣本壓縮的位移。當(dāng)試驗(yàn)樣本的初始位移Li非常小時(shí)，可忽略不計(jì)。因此，可得到比吸能關(guān)系式為

圖2 壓縮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣件

圖3 泡沫樣件圧縮過(guò)程

圖4 泡沫樣件載荷-位移曲線

從圖4可以看出，加入碳納米管，使聚氨酯泡沫的承載能力得到了一定程度的提升，碳納米管含量為3%的聚氨酯泡沫表現(xiàn)出最高的承載力，為144.4N，能量提升比為73.6%；含量為5%的聚氨酯泡沫具有最低的承載力，為89.6N，能量提升比僅為0.9%，且小于普通聚氨酯泡沫的承載能力，結(jié)果見(jiàn)表2，同時(shí)列出材料成本。由表可見(jiàn)，碳納米管含量過(guò)多并不一定能提高承載能力，這是因?yàn)檫^(guò)多的碳納米管顆粒不能均勻地分散到聚氨酯中，因此與聚氨酯不能很好地結(jié)合，導(dǎo)致對(duì)聚氨酯的承載能力起不到增強(qiáng)的作用，因此只有添加適量的碳納米管才會(huì)有效提高材料的承載能力。本文中選擇質(zhì)量比為3%的碳納米聚氨酯泡沫作為后續(xù)研究對(duì)象。從材料成本看，3%碳納米聚氨酯泡沫比普通聚氨酯泡沫高出33.6%，這是由于當(dāng)前碳納米管的制造成本偏高所致。

表2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3%碳納米聚氨酯泡沫和普通聚氨酯泡沫材料進(jìn)行拉伸和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，獲取相關(guān)材料屬性。準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 泡沫材料準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 MPa

從表3中可以看出:含量3%的碳納米聚氨酯泡沫的性能明顯優(yōu)于普通聚氨酯泡沫；壓縮強(qiáng)度和壓縮模量分別提升了63.9%和42.1%；拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別提升了43.6%和89.6%；彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別提升了44.7%和46%。由于碳納米管剛度高，使混合后復(fù)合材料的剛度獲得提高。碳納米聚氨酯泡沫強(qiáng)度的提高主要有兩方面原因:一是由于碳納米管存在于聚合物中，延遲了納米復(fù)合材料的斷裂過(guò)程；二是因?yàn)樘技{米管具有較大的比表面積，可與聚氨酯泡沫發(fā)生更好的粘附作用，使其擁有更強(qiáng)的界面。另外，超聲混合也使碳納米管表面及其周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)與聚氨酯泡沫產(chǎn)生很強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合。

2 薄壁圓管填充結(jié)構(gòu)吸能特性研究

2.1 薄壁圓管填充結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析

為探究泡沫材料填充薄壁圓管的吸能特性，分別制備薄壁圓管、普通聚氨酯泡沫填充圓管以及3%碳納米聚氨酯泡沫填充圓管3種樣件。選用不銹鋼圓管，尺寸為φ38mm×80mm，管壁厚為0.7mm，如圖5所示，材料屬性如表4所示。分別對(duì)3種樣件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)的5個(gè)階段見(jiàn)圖6，壓縮結(jié)果如圖7所示，得到的載荷-位移曲線如圖8所示。

圖5 薄壁圓管和泡沫材料填充薄壁圓管

從圖8可以看出，3種薄壁管的載荷-位移曲線很相似，但碳納米聚氨酯填充薄壁管曲線的變化趨勢(shì)相對(duì)平緩。對(duì)比3種樣件的吸能能力，結(jié)果見(jiàn)表5?？梢钥闯觯技{米聚氨酯填充薄壁管的承載能力和吸能性能都比薄壁管有較大的提升，其中，比吸能提升比例為39.3%，明顯超過(guò)普通聚氨酯填充薄壁管的提升比例。因此，碳納米聚氨酯泡沫作為填充材料在承載和吸能能力方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表4 薄壁圓管材料屬性

圖6 圓管壓縮過(guò)程

圖7 3種試件壓縮結(jié)果

圖8 薄壁管以及泡沫填充薄壁管載荷-位移曲線

2.2 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)行填充薄壁管壓縮過(guò)程的仿真分析，首先建立填充薄壁管的有限元模型，如圖9所示。為獲得更好的模擬穩(wěn)定性，圓管壁與碳納米聚氨酯泡沫之間采用自動(dòng)面面接觸，圓管壁相互之間采用自動(dòng)單面接觸，摩擦因數(shù)設(shè)為0.5。圓管與泡沫界面之間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦因數(shù)分別設(shè)定為0.25和0.3。

表5 薄壁管以及填充薄壁管壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖9 碳納米聚氨酯填充薄壁圓管有限元模型

圖10 為碳納米聚氨酯填充薄壁管壓縮過(guò)程的仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖可見(jiàn):在彈性變形階段，兩條曲線基本重合；試驗(yàn)分析的最大壓縮力為40.9kN，仿真分析的最大壓縮力為41.5kN，仿真的誤差為1.5%；試驗(yàn)所得的平均壓縮力為24.3kN，仿真分析得到的平均壓縮力為22.1kN，仿真的誤差為9.1%。兩條曲線均呈周期性變化，疊縮開(kāi)始階段曲線的波動(dòng)范圍都很小，疊縮后期均產(chǎn)生兩個(gè)疊縮單元，壓實(shí)階段兩條曲線基本重合，由此可知仿真結(jié)果

圖10 填充薄壁管壓縮過(guò)程載荷 位移曲線

3 填充B柱的耐撞性仿真分析

對(duì)某款轎車(chē)的B柱分別進(jìn)行無(wú)填充、普通聚氨酯泡沫填充和碳納米聚氨酯泡沫填充，進(jìn)行側(cè)面耐撞性分析。碰撞模型如圖11所示，有限元模型主要包括B柱和臺(tái)車(chē)模型，對(duì)B柱進(jìn)行兩端約束，參照法規(guī)采用移動(dòng)可變形壁障對(duì)B柱模型進(jìn)行碰撞仿真分析，碰撞速度為9.6m/s。填充B柱模型如圖12所示，B柱材料參數(shù)如表6所示。

圖11 碰撞仿真模型

表6 B柱材料參數(shù)

對(duì)原有B柱以及分別填充普通聚氨酯泡沫和碳納米聚氨酯泡沫的B柱采用Ls-dyna軟件進(jìn)行仿真分析，選取4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(分別對(duì)應(yīng)乘員的頭部、胸部、腹部和臀部位置)的侵入量和侵入速度作為B柱碰撞安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖13所示。通過(guò)模擬汽車(chē)側(cè)撞后的關(guān)鍵點(diǎn)的變形，分析不同節(jié)點(diǎn)的侵入量和吸能能力，綜合考慮侵入速度和B柱變形情況。侵入量和侵入速度結(jié)果見(jiàn)表7，能量吸收情況對(duì)比如圖14所示。

由圖14可知，原有 B柱吸收的最大能量為0.47kJ，普通聚氨酯泡沫填充B柱吸收的最大能量為0.69kJ，提升了46.8%，而碳納米聚氨酯泡沫填充B柱吸收的最大能量為0.97kJ，相比于原有B柱提升了106.4%。另外，普通聚氨酯泡沫填充B柱和碳納米聚氨酯泡沫填充B柱的侵入量以及侵入速度都有不同程度的降低。由表7可知，填充普通聚氨酯泡沫B柱的4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)中，侵入量?jī)?yōu)化比例最小為2.4%，最大則為5.7%；侵入速度的最小優(yōu)化比例為0，最大優(yōu)化比例為3.6%。而填充碳納米聚氨酯泡沫B柱的4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)中，侵入量?jī)?yōu)化比例最小為6.1%，最大則為14.3%；侵入速度的最小優(yōu)化比例為2.4%，最大優(yōu)化比例為6.2%。結(jié)果表明，B柱填充碳納米聚氨酯泡沫的耐撞性能明顯優(yōu)于填充普通聚氨酯泡沫。且相比于汽車(chē)上常用的輕量化材料，3%碳納米聚氨酯泡沫的密度僅為242kg/m3，質(zhì)量更輕，因此更加符合汽車(chē)輕量化的要求。盡管目前碳納米管的成本偏高，但隨著納米材料高效低成本制備技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)必將會(huì)大大降低其制造成本，因此具有良好的應(yīng)用前景。

圖12 填充B柱有限元模型

圖13 B柱關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

表7 B柱關(guān)鍵點(diǎn)侵入量和侵入速度對(duì)比

圖14 B柱吸能對(duì)比

4 結(jié)論

填充吸能結(jié)構(gòu)是提高汽車(chē)安全性的有效手段之一。利用碳納米管的高模量和高強(qiáng)度特性，將碳納米管與聚氨酯泡沫相結(jié)合，按照5種不同質(zhì)量百分比制備碳納米聚氨酯泡沫樣件。通過(guò)試驗(yàn)分析不同質(zhì)量比的碳納米聚氨酯泡沫的承載能力與吸能特性，獲得了最佳的碳納米管質(zhì)量比。

為獲得碳納米聚氨酯泡沫填充結(jié)構(gòu)的吸能效果，通過(guò)試驗(yàn)與仿真方法，對(duì)薄壁圓管、普通聚氨酯泡沫填充圓管和3%碳納米聚氨酯泡沫填充圓管的壓縮吸能特性進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，碳納米聚氨酯泡沫填充圓管的最大壓力為40.9kN，其相對(duì)于薄壁圓管的比吸能提升比例達(dá)到39.3%，均明顯高于普通聚氨酯泡沫填充圓管和空?qǐng)A管。因此，碳納米聚氨酯泡沫作為填充材料在承載能力和能量吸收方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)際應(yīng)用方面，將碳納米聚氨酯泡沫填充至B柱進(jìn)行仿真，結(jié)果表明填充后B柱相比于原有B柱吸能提升了106.4%。同時(shí)，填充后B柱的侵入量和侵入速度都有明顯改善，驗(yàn)證了其具有良好的吸能性，在滿(mǎn)足輕量化的同時(shí)，可以有效增強(qiáng)汽車(chē)的側(cè)面抗撞性。