汽車內后視鏡鏡片發(fā)黑問題的分析與解決

易熙

（上海汽車集團股份有限公司）

內后視鏡是安裝于汽車乘客艙內部，用于呈現(xiàn)汽車后方視野的關鍵零件。它最基本的功能就是利用金屬反射鍍層（一般是鍍銀或鍍鉻）的玻璃片反射后方的光線，在鏡片中成像，輔助駕駛員觀察汽車后方的情況[1-3]。作為駕駛員獲得后方視野的主要媒介，內后視鏡成像的清晰度至關重要[4-5]。在零件開發(fā)的實踐中，發(fā)現(xiàn)了一類典型的鏡片發(fā)黑問題，發(fā)黑區(qū)域直接令成像的物理載體局部不能成像。無論從法規(guī)安全角度還是客戶使用體驗來說，這種問題顯然都是無法接受的。文章通過分析發(fā)黑問題的原因，制定了對應的解決措施，最終提出了從根本上規(guī)避該風險的方案。

1 汽車內后視鏡介紹

圖1示出一款典型的汽車內后視鏡總成的結構爆炸圖。其中與鏡片密切相關的子零件包括：1）鏡片總成，它由硅酸鹽玻璃、背面的銀鍍層、銀鍍層背面的油漆防護層、防護層上粘貼的防爆紙構成，是成像的載體，其中的防爆紙是貼于鏡片背后的一層有一定抗撕裂能力的背膠紙，作用是防止鏡片玻璃爆裂后有玻璃碎屑脫落造成人員受傷；2）2條緩沖墊，主要成分是EPDM彈性體，通過它的彈性擠壓頂住鏡片，防止松動；3）鏡圈和鏡殼，材料為PC+ASA，它們通過卡扣結構互相緊扣，構成后視鏡鏡頭的外殼，包裹住鏡片。

圖1 汽車內后視鏡總成結構爆炸圖

內后視鏡屬于法規(guī)安全件，法規(guī)對鏡面的反射視野有明確的要求?！禛B 15084—2013 機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》對后視鏡視野內障礙物的遮擋面積做了規(guī)定：視野有可能因部件影響而降低，如遮陽板、后刮雨刷等這些裝置遮擋部分投影在與車輛縱向中心面垂直的鉛垂面上時，其總和不大于所規(guī)定視野的15%[6]。

2 內后視鏡鏡片發(fā)黑問題現(xiàn)象

某款內后視鏡在裝上試驗車約1個月之后，20臺車中5臺的內后視鏡鏡片先后出現(xiàn)了不同程度發(fā)黑的現(xiàn)象，如圖2所示。由圖2a 可見，在鏡片的成像面中能夠觀察到2條黑色的斑痕，而且隨著時間的推移，發(fā)黑內鏡的數(shù)量進一步增加，發(fā)黑的程度也愈加明顯。從發(fā)黑鏡片的外觀上觀察，黑色物質不是在玻璃表面生成，從鏡片表面刮除不掉。而鏡片背面的防爆紙上有和發(fā)黑斑痕位置對應的被油浸潤狀的痕跡，如圖2b所示，并且刮蝕鏡片背面該區(qū)域的鍍層，黑色隨鍍層的脫落而去除。條形黑斑的存在，直接影響后方視野的呈現(xiàn)，不僅不符合法規(guī)中對視野面積的要求，感官上也相當糟糕。

圖2 內后視鏡鏡片發(fā)黑的實物圖

3 鏡片發(fā)黑問題的原因分析

3.1 問題激發(fā)因素的確認

鏡片發(fā)黑問題出現(xiàn)后，首先找尋問題的激發(fā)因素，確定分析方向。抽檢3組同批次產(chǎn)品（20件/組），結合當時夏季濕熱的氣候條件考慮，設定不同的溫度、濕度、時間，進行加速模擬試驗。

第1組主要考核時間因素：在溫度為110 ℃、相對濕度為50%的條件下，對總成零件進行加速高溫存放試驗。結果在12 h 時出現(xiàn)發(fā)黑問題的零件為5例；繼續(xù)存放到24 h 后又增加7例（即累計12 例）；繼續(xù)存放到36 h 再次增加2例（即累計14例）；后續(xù)再增加存放時間一直到72 h，未再出現(xiàn)發(fā)黑案例。

第2組產(chǎn)品主要考核溫度因素：確定空氣相對濕度為50%和存放24 h的統(tǒng)一條件，變換不同的溫度進行試驗。在70 ℃時出現(xiàn)了3例發(fā)黑問題；90 ℃的條件出現(xiàn)8例，130 ℃時出現(xiàn)了13例（110 ℃的條件在第1組試驗中已完成，為12例）。

第3 組考核空氣濕度因素：鎖定溫度110 ℃和時間24 h 之后，相對濕度分別設定為 40%，50%，60%，70%，失效的案例沒有明顯差異，分別為 10，12，11，12例。

以上試驗結果的統(tǒng)計情況，如圖3所示。

圖3 汽車內后視鏡鏡片環(huán)境模擬試驗結果統(tǒng)計圖

從統(tǒng)計結果也可以看出，該鏡片發(fā)黑問題與濕度的關聯(lián)性不大，和溫度、時間呈現(xiàn)強相關性。由于內后視鏡安裝于乘客艙頭頂，在正常的使用過程中接觸水或其它溶液的概率小，模擬試驗也證明它和濕度的關系不大，因此排除了溶液侵蝕或水汽污染直接造成鏡片發(fā)黑。模擬試驗表明，溫度較低則需要較長的時間顯現(xiàn)失效現(xiàn)象，溫度較高則只需要較短的時間即能顯現(xiàn)出問題。并且問題零件進入一個試驗穩(wěn)態(tài)后，繼續(xù)延長存放時間或者提高溫度，故障件數(shù)量不再增多。由此可見，溫度和時間的作用其實有較強的等效性。獲得的這一信息為問題原因的分析提供了方向——非常符合化學反應的時效等價特性，溫度的升高提高了化學物質的活性，可以在更短的時間內實現(xiàn)同等的反應結果。

3.2 發(fā)黑物質的成分確認

基于該發(fā)黑現(xiàn)象屬于化學反應造成的原因推測，對鏡片背部發(fā)黑物質的化學成分進行了檢測。將玻璃砸開，取出黑色物質進行電子能譜分析，如圖4所示。黑色區(qū)域物質中含有 Ca，Ag，Zn，F(xiàn)e，Mg，S，Si 等元素，其中 Ca，Zn，F(xiàn)e，Mg，Si為常規(guī)玻璃含有的元素，Ag 成分來自于鏡片背部的反射鍍層，但發(fā)現(xiàn)的S 元素是比較令人意外的。查閱化學反應的文獻可知，單質S 易與Ag 發(fā)生氧化反應，生成黑色的Ag2S[7-8]。由此推測，鏡片發(fā)黑問題正是由這一化學反應引起。

圖4 汽車內后視鏡鏡片發(fā)黑物質的電子能譜圖

3.3 鏡片發(fā)黑的成因探討

從人、機、料、法、環(huán)等生產(chǎn)相關因素方面逐一排查，發(fā)現(xiàn)鏡片在整個生產(chǎn)過程中，人員、機臺、環(huán)境等都未接觸到與硫有關的物質，而唯有“料”的方面，使用的緩沖墊（EPDM材料）的生產(chǎn)過程中是有硫成分引入的。EPDM材料為了達到所需要的彈性性能，密煉過程中會加入一定比例的單質硫，然后經(jīng)密煉、開煉工序，最終通過加熱使材料發(fā)生硫化反應并成形。如果硫在密煉中充分混勻，在硫化過程中會被完全反應消耗，形成交聯(lián)狀態(tài)的硫；但如果硫未均勻混合，局部富集區(qū)域會反應不完全，就會有多余的單質硫殘留。追溯該批次產(chǎn)品的生產(chǎn)記錄，也確實發(fā)現(xiàn)了當班生產(chǎn)的產(chǎn)品由于密煉設備故障，其中的一批次膠料密煉時間僅10 min，未達到30 min的工藝技術要求，極可能造成了EPDM中單質硫未充分混合，制成品加熱硫化后仍舊殘留單質硫。

為進一步核實該工藝變動因素，使用密煉30 min（以下稱密煉完成）和密煉僅10 min（以下稱密煉未完成）的2 種狀態(tài)的材料制成緩沖墊，做對比試驗，如圖5所示。將2 種狀態(tài)的緩沖墊貼于同一片鏡片背面，如圖5a所示，并用2 kg的重物壓在緩沖墊上，模擬裝配擠緊狀態(tài)，確保緩沖墊和鏡片背部完好貼合，置于溫度為110 ℃、相對濕度為50%的烘箱中24 h。試驗后如圖5b所示，密煉完成的緩沖墊貼住的鏡片表面無黑色區(qū)域，說明硫已經(jīng)完全參與硫化，處于交聯(lián)狀態(tài)，不再析出與Ag 反應；密煉未完成的緩沖墊貼住的鏡片表面出現(xiàn)了黑色區(qū)域，觀察到的發(fā)黑現(xiàn)象與試驗車上的故障現(xiàn)象一致，即硫未完全參與硫化反應，存在單質硫析出并與Ag 發(fā)生了氧化反應。

圖5 密煉完成和未完成的緩沖墊對比試驗圖

由此論證了3.2 節(jié)的推斷：由于EPDM 緩沖墊中存在未交聯(lián)硫化的單質硫，硫成分滲透擴散到鏡片背部與銀鍍層發(fā)生氧化反應，生成了黑色的硫化銀，材料間的接觸氧化即鏡片發(fā)黑機理。

4 鏡片發(fā)黑問題的解決方案

4.1 避免單質硫殘留的方案

確認了硫與銀反應，使鍍層氧化生成硫化銀的失效機理后，為確保硫的完全交聯(lián)，防止殘留單質硫，在不改變材料成分的前提下，進行工藝控制和檢測識別。1）從配料環(huán)節(jié)來說，需要控制硫成分的比例，避免硫多余、富集；2）從加工工藝來說，需要保證足夠的密煉時間使物料充分均勻混合，并且后續(xù)的加熱硫化時間也要足夠充分，確保所有的硫都參與到交聯(lián)反應中；3）從產(chǎn)品檢測來說，需要抽檢識別產(chǎn)品中是否還有單質硫的留存，如前文所述，緩沖墊壓貼在鏡片上，在110 ℃的高溫箱中存放36 h 就能比較清楚地識別該問題。

4.2 用不含硫材料替代的方案

如果要更徹底地規(guī)避發(fā)黑風險，可以用不含硫的彈性材料來替代現(xiàn)在使用的EPDM。物理性能比較接近的常規(guī)材料如TPE 和PVC，因為不涉及硫化反應過程，不會在加工過程中引入硫，都是理想的替代材料。使用這2 種材料制作的緩沖墊，按照同樣的高溫存放條件進行模擬試驗后，確認不會造成鏡片發(fā)黑問題。這也進一步證明了文章提出的問題發(fā)生機理的正確性，使用不含硫的材料制備的緩沖墊能完全規(guī)避問題。

5 結論

文章通過汽車內后視鏡鏡片發(fā)黑物質的成分檢測、故障模擬等手段，分析了內后視鏡鏡片發(fā)黑問題的成因，論證了問題發(fā)生是接觸氧化反應導致，然后針對根本原因制定了問題的解決方案。汽車零件中，內、外后視鏡鏡片含有銀、鉻或鋁鍍層，此前考慮較多的是對空氣氧化的防護，而本次問題的發(fā)生，是金屬鍍層與硫發(fā)生了接觸氧化反應導致?；谶@一失效模式可以得出：帶鍍層的鏡片，甚至其它金屬裝飾件、電鍍表面裝飾件等都存在接觸氧化反應從而導致問題的可能，周邊材料的選擇必須考慮這一風險，盡可能使用無氧化活性的材料。在汽車零部件中，很多不同材料的裝配接觸同樣存在接觸氧化失效的潛在風險。該問題的分析研究，對后視鏡的設計開發(fā)和質量管控，甚至其他涉及光亮金屬表面的零件產(chǎn)品類似風險的規(guī)避都具有參考價值。