鋁箔柔軟度的測試方法及其影響因素研究

金曉杰，陳 偉，馬 科，馮 丹，付 裕，郭世杰，趙丕植

(1.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司 蘇州分公司，蘇州 215026；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209)

鋰離子電池憑借其能量密度高、循環(huán)壽命長、充放電快等諸多優(yōu)點，已成為3C、電動汽車等領(lǐng)域的首選。而以鋁塑復(fù)合膜為外殼的軟包裝鋰離子電池，具有質(zhì)量輕、設(shè)計靈活、能量密度高等優(yōu)點，目前在3C領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并逐步開始應(yīng)用于動力電池等領(lǐng)域[1]。鋰離子電池軟包裝用鋁塑膜一般由尼龍、鋁箔、樹脂三種材料復(fù)合而成，其中鋁箔主要起到阻隔氣體和水汽，以及同時保證鋁塑膜成形的作用[2]。鋰離子電池軟包裝用鋁塑膜對鋁箔的綜合性能要求較高，包括鋁箔表面粗糙度、表面殘油量、針孔數(shù)量、強度、伸長率、成形性能等[3-4]。

最近的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由相對較柔軟的鋁箔制成的鋁塑膜在最終翻邊對折過程中，不易發(fā)生開裂，保證了電池的安全性。因此，下游鋁塑膜生產(chǎn)企業(yè)希望對鋁箔產(chǎn)品的柔軟度進行控制。但是到目前為止，鋁箔的柔軟度既無定義，也無測試方法，下游用戶主要通過手抓鋁箔進行評判。這種主觀感受無法代替有說服力的客觀數(shù)據(jù)作為鋁箔產(chǎn)品柔軟度的評判標(biāo)準(zhǔn)。因此，急需研究出一種鋁箔柔軟度的測試方法來評價其柔軟度，進而分析鋁箔柔軟度的影響因素，以便優(yōu)化生產(chǎn)工藝制得柔軟同時綜合性能優(yōu)良的鋁箔產(chǎn)品。

目前，柔軟度的概念主要存在于紙張、織物等行業(yè)，其主要的評價方法有人體觸覺法、下垂法、挺度、抗皺性、柔軟度測試儀等[5-8]。其中，柔軟度測試儀是基于懸臂梁試驗推導(dǎo)出的一種柔軟性測試方法，能夠同時反映測試樣品柔韌性和表面粗糙度的綜合影響，因而得到了廣泛的應(yīng)用。為此，本研究項目以柔軟度測試儀為基礎(chǔ)，探討了適合鋁箔柔軟度測試的方法，同時定義了鋁箔柔軟度的概念。在此基礎(chǔ)上，實驗研究了國內(nèi)外不同鋁箔之間的柔軟度差異，并借助以上方法，研究了鋁箔表面粗糙度、織構(gòu)、晶粒尺寸對鋁箔柔軟度的影響規(guī)律和作用機制。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗的鋁箔產(chǎn)品有：進口1，代號JK1，AA8021鋁合金，厚30 μm；進口2，代號JK2，AA8079鋁合金，厚40 μm；國產(chǎn)1，代號GC1，AA8021鋁合金，厚40 μm；國產(chǎn)2，代號GC2，AA8021鋁合金，厚40 μm；國產(chǎn)3，代號GC3，AA8021鋁合金，厚40 μm；國產(chǎn)4，代號GC4，AA8021鋁合金，厚50 μm。以上均為O狀態(tài)箔材。另外還有H18狀態(tài)的國產(chǎn)鋁箔，代號GC5，AA8021鋁合金，厚40 μm。通過改變鋁箔的成品退火制度來調(diào)控其組織，進而研究微觀組織對鋁箔柔軟度的影響規(guī)律，GC5的成品退火制度如表1所示。

表1 國產(chǎn)鋁箔GC5的成品退火制度

1.2 組織及拉伸性能評價方法

采用Sensofar S Neox表面輪廓儀測量鋁箔表面的面粗糙度Sa。通過電解拋光工藝制備鋁箔EBSD樣品，采用JSM6460型掃描電鏡進行EBSD實驗，選擇的步長為2.5 μm。采用TSL OIM Analysis 5軟件對EBSD數(shù)據(jù)進行分析，得到鋁箔的晶粒尺寸、織構(gòu)種類與比例。

采用專門的取樣器沿鋁箔的軋制方向切取鋁箔拉伸樣品，保證鋁箔邊緣無明顯毛刺和褶皺，拉伸樣品尺寸為15 mm×200 mm。采用INSTRON拉伸機進行拉伸實驗，屈服前后拉伸速率分別為1 mm/min和3 mm/min，每種樣品至少測試3個樣品，取其平均值作為拉伸性能的最終結(jié)果。

1.3 鋁箔柔軟度的定義與測試方法

采用海達國際儀器有限公司的柔軟度測試儀測試鋁箔柔軟度，其測試設(shè)備和測試原理如圖1所示。具體測試過程和原理如下：首先將樣品平整地置于一定寬度的狹槽之上，隨后運行設(shè)備使探刀勻速下壓，在此過程中，探刀和鋁箔發(fā)生接觸，進而受到鋁箔產(chǎn)生的變形抗力F鋁箔抗力，與此同時，鋁箔會與狹槽邊緣發(fā)生相對運動而產(chǎn)生摩擦力f摩擦力，進一步增加了探刀受到的阻力F阻力。因此，F(xiàn)阻力可以用以下公式表達：

圖1 鋁箔柔軟度的測試設(shè)備及測試原理示意圖

F阻力=F鋁箔抗力+f摩擦力

(1)

在此過程中，利用扭力桿另一端的力傳感器隨時記錄探刀下壓過程中受到的阻力，得到下壓位移-阻力的曲線，如圖2所示。從下壓位移-阻力曲線中獲得最大的阻力值，取該值的倒數(shù)定義為鋁箔的柔軟度S柔，具體表達公式如下：

(2)

利用以上方法，一方面可以測得材料本身的軟硬程度，同時也能反映鋁箔表面粗糙度的影響，因此能夠定量反映手抓鋁箔的直觀感受。

在測試過程中，鋁箔首先發(fā)生彈性變形，隨后發(fā)生塑性變形。這與紙張、織物柔軟度測試時有所不同，后兩種材料基本不會發(fā)生塑性變形。由圖2也可知，在測試初期，探刀受到的阻力快速增加，此時鋁箔主要發(fā)生彈性變形，隨后阻力增加趨緩，此時鋁箔發(fā)生了塑性變形，即發(fā)生了屈服；當(dāng)下壓量達到一定程度后，摩擦力和鋁箔抗力的總和趨于不變，最終探刀受到的阻力達到穩(wěn)定。

圖2 鋁箔柔軟度測試過程中傳感器測得的阻力與下壓位移的關(guān)系曲線

鋁箔柔軟度測試樣品尺寸為100 mm×100 mm，測試時鋁箔光面朝上，保證樣品平整，軋制方向垂直于狹槽，下壓位置為鋁箔的1/3長度處，最大下壓位移為8 mm，下壓速率為1.2 mm/s，狹槽寬度為20 mm。通過柔軟度測試儀直接獲得下壓8 mm過程中的最大阻力，取其倒數(shù)，作為柔軟度測試值。每種樣品至少測量8個樣品以上，取其平均值作為最終結(jié)果。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同廠家生產(chǎn)鋁箔的柔軟度

利用以上柔軟度測試方法對不同廠家生產(chǎn)的鋁箔進行柔軟度分析，其結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，不同廠家的鋁箔呈現(xiàn)出完全不同的柔軟度測試結(jié)果。厚度為30 μm的JK1鋁箔的柔軟度最高，達到了3.18 N-1，而厚度為50 μm的GC5鋁箔的柔軟度最低，只有1.35 N-1。在厚度為40 μm的鋁箔中，柔軟度值從大到小依次排列為JK2、GC3、GC1、GC2。這與目前下游用戶對不同廠家生產(chǎn)的鋁箔柔軟度的直觀感受是一致的，即國產(chǎn)鋁箔的柔軟度普遍小于進口鋁箔的。

圖3 不同廠家鋁箔的柔軟度測試結(jié)果

2.2 鋁箔微觀組織對其柔軟度的影響

2.2.1 表面粗糙度對鋁箔柔軟度的影響

由于鋁塑膜用軟包裝鋁箔一般采用雙合箔軋生產(chǎn)，因此鋁箔的兩面會呈現(xiàn)不同的粗糙度，分別稱為光面和暗面。表2為GC1和GC3鋁箔光面和暗面的粗糙度，以及光面向下和暗面向下時測得的柔軟度結(jié)果?？梢钥吹?，GC1和GC3鋁箔光面的面粗糙度分別為0.07 μm和0.06 μm，而暗面的面粗糙度均為0.26 μm。由于在柔軟度測試過程中，鋁箔和狹縫之間會產(chǎn)生相對運動，進而產(chǎn)生摩擦力，最終增加F阻力。因此，隨著測試面(向下的面)的面粗糙度增加，相應(yīng)地，摩擦因數(shù)也會增加，進而導(dǎo)致f摩擦力增加，最終降低鋁箔的柔軟度。因此，GC1和GC3鋁箔光面向下時測試得到的柔軟度均大于其暗面向下測試得到的柔軟度。不同廠家鋁箔表面粗糙度的測試結(jié)果表明，不同鋁箔光面的面粗糙度均在0.1 μm以下，而暗面的面粗糙度均在0.2 μm～0.3 μm范圍內(nèi)。因此，對于不同鋁箔而言，固定采用光面或者暗面進行柔軟度測試時，其表面粗糙度對測試結(jié)果的影響基本是一致的。

表2 國產(chǎn)鋁箔GC1和GC3的表面粗糙度及其柔軟度測試值

2.2.2 織構(gòu)比例對鋁箔柔軟度的影響

對以上40 μm厚的不同廠家和不同成品退火后的鋁箔樣品的織構(gòu)進行分析，得到Cube和Copper織構(gòu)比例與鋁箔柔軟度的關(guān)系，如圖4所示?？梢钥吹?，隨著鋁箔中立方織構(gòu)比例的增加，鋁箔的柔軟度增加；與此同時，隨著Copper織構(gòu)的增加，鋁箔的柔軟度減小。

圖4 鋁箔柔軟度與鋁箔中Cube、Copper織構(gòu)比例的關(guān)系曲線

在柔軟度測試過程中，鋁箔的彈性變形階段可以用以下公式表示，即

(3)

(4)

(5)

式中：

E—彈性模量；

I—慣性矩；

ω—下壓深度；

l—狹縫寬度；

b—鋁箔的寬度；

h—鋁箔的厚度。

由公式(5)可知，在彈性變形過程中，柔軟度主要與鋁箔的尺寸和鋁箔本身的彈性模量有關(guān)。這也正是圖3中厚度30 μm的JK1鋁箔柔軟度高于其他厚度40 μm的鋁箔，而厚度50 μm的GC4鋁箔柔軟度明顯偏低的主要原因。一般認為，彈性模量是組織不敏感的參數(shù)，但相關(guān)研究表明[9-10]，對于立方織構(gòu)的金屬或合金而言，其不同晶向上的彈性模量是不同的。通常，<111>晶向的彈性模量E111最大，而<100>晶向的彈性模量E100最小，其他晶向的介于二者之間。根據(jù)文獻[9-11]，計算得到六種典型織構(gòu)垂直于軋面方向的彈性模量，如表3所示?？梢钥吹?，在垂直于軋面方向上，Cube織構(gòu)的彈性模量最小，只有62.735 GPa，R織構(gòu)的彈性模量為69.359 GPa，而Brass、S、Copper、Goss織構(gòu)的彈性模量均為71.726 GPa。因此，隨著基體中Cube織構(gòu)比例的增加，鋁箔厚度方向的彈性模量降低，進而改善了鋁箔的柔軟度，而copper織構(gòu)則起到相反的作用。

表3 常見織構(gòu)對應(yīng)的垂直軋面方向的彈性模量

2.2.3 晶粒尺寸對鋁箔柔軟度的影響

圖5為GC5硬態(tài)鋁箔經(jīng)過不同成品退火制度后的晶粒尺寸?？梢钥吹剑S著成品退火溫度和升溫速率的增加，鋁箔的晶粒尺寸逐漸增加。當(dāng)成品退火制度為220 ℃保溫16 h時，其晶粒尺寸只有14.7 μm；而當(dāng)采用到溫放樣品(K390)在390 ℃保溫16 h后，其晶粒尺寸長大到21.2 μm。因此，通過不同溫度的成品退火處理，可以獲得不同晶粒尺寸的鋁箔。

圖5 鋁箔晶粒尺寸與成品退火制度的關(guān)系曲線

鋁箔柔軟度與鋁箔晶粒尺寸的關(guān)系如圖6所示?？梢钥吹剑S著鋁箔晶粒尺寸的增加，鋁箔的柔軟度不斷提高。當(dāng)晶粒尺寸為14.7 μm時，鋁箔的柔軟度為2.5 N-1，而當(dāng)晶粒尺寸增大至21.2 μm時，其柔軟度值達到了3 N-1。

圖6 鋁箔晶粒尺寸對鋁箔屈服強度、柔軟度的影響規(guī)律

根據(jù)圖1中柔軟度測試原理的分析可知，在鋁箔柔軟度測試過程中，鋁箔最終會發(fā)生塑性變形。因此，隨著鋁箔本身屈服強度的增加，探刀受到的鋁箔變形抗力會逐漸增加，最終導(dǎo)致柔軟度減小。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系式，即

σy=σ0+kd-1/2

(6)

式中：

σy—材料的屈服強度；

d—晶粒尺寸；

σ0、k—常數(shù)。

隨著晶粒尺寸d長大，材料的屈服強度σy逐漸降低。因此，隨著鋁箔晶粒尺寸的逐漸增加，其屈服強度逐漸降低，具體結(jié)果如圖6所示，最終導(dǎo)致了鋁箔柔軟度不斷提高。

另外，H18態(tài)的GC5樣品測試結(jié)果表明其屈服強度達到141.2 N/mm2，而柔軟度只有1.35 N-1，遠小于退火后的鋁箔的。通常而言，H18狀態(tài)鋁箔的組織為冷軋組織，晶粒尺寸更加細小，同時存在高密度的位錯，因此其屈服強度更高，相應(yīng)地，導(dǎo)致了鋁箔柔軟度明顯降低。

綜合以上結(jié)果，可以推測，除了晶粒尺寸外，影響鋁箔屈服強度的其他因素如位錯、析出相、固溶原子等，均可能會影響到鋁箔的柔軟度，并隨著鋁箔屈服強度的增加，鋁箔的柔軟度逐漸降低。

3 結(jié) 論

1)開發(fā)了適用于鋁箔柔軟度的測試方法，將鋁箔在下壓8 mm深度過程中產(chǎn)生的最大阻力的倒數(shù)定義為鋁箔的柔軟度，通過該方法成功表征了不同廠家生產(chǎn)的鋁箔之間的柔軟度差異。

2)鋁箔的柔軟度主要取決于變形過程中鋁箔本身的變形抗力以及其表面產(chǎn)生的摩擦力。在柔軟度測試過程中，鋁箔首先發(fā)生彈性變形，此時柔軟度與鋁箔本身的彈性模量有關(guān)，隨后發(fā)生塑性變形，此時主要與鋁箔的屈服強度有關(guān)。

3)研究結(jié)果表明，降低鋁箔表面粗糙度，可以減小摩擦阻力，進而提高鋁箔的柔軟度；隨著鋁箔中立方織構(gòu)比例的增加，材料的彈性模量減小，鋁箔的柔軟度逐漸增加；隨著鋁箔晶粒尺寸的增加，其屈服強度降低，鋁箔的柔軟度逐漸增加。因此，提高立方織構(gòu)比例，增加晶粒尺寸是改善鋁箔柔軟度的有效措施。