鋁箔柔軟度的測(cè)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(zhǎng)、充放電快等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為3C、電動(dòng)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(jì)靈活、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(shí)保證鋁塑膜成形的作用[2]。鋰離子電池軟包裝用鋁塑膜對(duì)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(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、成形性能等[3-4]。

最近的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由相對(duì)較柔軟的鋁箔制成的鋁塑膜在最終翻邊對(duì)折過(guò)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(duì)鋁箔產(chǎn)品的柔軟度進(jìn)行控制。但是到目前為止，鋁箔的柔軟度既無(wú)定義，也無(wú)測(cè)試方法，下游用戶主要通過(guò)手抓鋁箔進(jìn)行評(píng)判。這種主觀感受無(wú)法代替有說(shuō)服力的客觀數(shù)據(jù)作為鋁箔產(chǎn)品柔軟度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此，急需研究出一種鋁箔柔軟度的測(cè)試方法來(lái)評(píng)價(jià)其柔軟度，進(jìn)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(shí)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(píng)價(jià)方法有人體觸覺(jué)法、下垂法、挺度、抗皺性、柔軟度測(cè)試儀等[5-8]。其中，柔軟度測(cè)試儀是基于懸臂梁試驗(yàn)推導(dǎo)出的一種柔軟性測(cè)試方法，能夠同時(shí)反映測(cè)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(xiàng)目以柔軟度測(cè)試儀為基礎(chǔ)，探討了適合鋁箔柔軟度測(cè)試的方法，同時(shí)定義了鋁箔柔軟度的概念。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究了國(guó)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(duì)鋁箔柔軟度的影響規(guī)律和作用機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)的鋁箔產(chǎn)品有：進(jìn)口1，代號(hào)JK1，AA8021鋁合金，厚30 μm；進(jìn)口2，代號(hào)JK2，AA8079鋁合金，厚40 μm；國(guó)產(chǎn)1，代號(hào)GC1，AA8021鋁合金，厚40 μm；國(guó)產(chǎn)2，代號(hào)GC2，AA8021鋁合金，厚40 μm；國(guó)產(chǎn)3，代號(hào)GC3，AA8021鋁合金，厚40 μm；國(guó)產(chǎn)4，代號(hào)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(guó)產(chǎn)鋁箔，代號(hào)GC5，AA8021鋁合金，厚40 μm。通過(guò)改變鋁箔的成品退火制度來(lái)調(diào)控其組織，進(jìn)而研究微觀組織對(duì)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(guó)產(chǎn)鋁箔GC5的成品退火制度

1.2 組織及拉伸性能評(píng)價(jià)方法

采用Sensofar S Neox表面輪廓儀測(cè)量鋁箔表面的面粗糙度Sa。通過(guò)電解拋光工藝制備鋁箔EBSD樣品，采用JSM6460型掃描電鏡進(jìn)行EBSD實(shí)驗(yàn)，選擇的步長(zhǎng)為2.5 μm。采用TSL OIM Analysis 5軟件對(duì)EBSD數(shù)據(jù)進(jìn)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(wú)明顯毛刺和褶皺，拉伸樣品尺寸為15 mm×200 mm。采用INSTRON拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，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(cè)試3個(gè)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(cè)試方法

采用海達(dá)國(guó)際儀器有限公司的柔軟度測(cè)試儀測(cè)試鋁箔柔軟度，其測(cè)試設(shè)備和測(cè)試原理如圖1所示。具體測(cè)試過(guò)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(yùn)行設(shè)備使探刀勻速下壓，在此過(guò)程中，探刀和鋁箔發(fā)生接觸，進(jìn)而受到鋁箔產(chǎn)生的變形抗力F鋁箔抗力，與此同時(shí)，鋁箔會(huì)與狹槽邊緣發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦力f摩擦力，進(jìn)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(dá)：

圖1 鋁箔柔軟度的測(cè)試設(shè)備及測(cè)試原理示意圖

F阻力=F鋁箔抗力+f摩擦力

(1)

在此過(guò)程中，利用扭力桿另一端的力傳感器隨時(shí)記錄探刀下壓過(guò)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(dá)公式如下：

(2)

利用以上方法，一方面可以測(cè)得材料本身的軟硬程度，同時(shí)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(cè)試過(guò)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(cè)試時(shí)有所不同，后兩種材料基本不會(huì)發(fā)生塑性變形。由圖2也可知，在測(cè)試初期，探刀受到的阻力快速增加，此時(shí)鋁箔主要發(fā)生彈性變形，隨后阻力增加趨緩，此時(shí)鋁箔發(fā)生了塑性變形，即發(fā)生了屈服；當(dāng)下壓量達(dá)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(dá)到穩(wěn)定。

圖2 鋁箔柔軟度測(cè)試過(guò)程中傳感器測(cè)得的阻力與下壓位移的關(guān)系曲線

鋁箔柔軟度測(cè)試樣品尺寸為100 mm×100 mm，測(cè)試時(shí)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(zhǎng)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(guò)柔軟度測(cè)試儀直接獲得下壓8 mm過(guò)程中的最大阻力，取其倒數(shù)，作為柔軟度測(cè)試值。每種樣品至少測(cè)量8個(gè)樣品以上，取其平均值作為最終結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)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(cè)試方法對(duì)不同廠家生產(chǎn)的鋁箔進(jìn)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(cè)試結(jié)果。厚度為30 μm的JK1鋁箔的柔軟度最高，達(dá)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(duì)不同廠家生產(chǎn)的鋁箔柔軟度的直觀感受是一致的，即國(guó)產(chǎn)鋁箔的柔軟度普遍小于進(jìn)口鋁箔的。

圖3 不同廠家鋁箔的柔軟度測(cè)試結(jié)果

2.2 鋁箔微觀組織對(duì)其柔軟度的影響

2.2.1 表面粗糙度對(duì)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(huì)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(shí)測(cè)得的柔軟度結(jié)果?？梢钥吹剑珿C1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(cè)試過(guò)程中，鋁箔和狹縫之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力，最終增加F阻力。因此，隨著測(cè)試面(向下的面)的面粗糙度增加，相應(yīng)地，摩擦因數(shù)也會(huì)增加，進(jìn)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(shí)測(cè)試得到的柔軟度均大于其暗面向下測(cè)試得到的柔軟度。不同廠家鋁箔表面粗糙度的測(cè)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(duì)于不同鋁箔而言，固定采用光面或者暗面進(jìn)行柔軟度測(cè)試時(shí)，其表面粗糙度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響基本是一致的。

表2 國(guó)產(chǎn)鋁箔GC1和GC3的表面粗糙度及其柔軟度測(cè)試值

2.2.2 織構(gòu)比例對(duì)鋁箔柔軟度的影響

對(duì)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(jìn)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?？梢钥吹剑S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(shí)，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(cè)試過(guò)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(guò)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(rèn)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(duì)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(xiàn)[9-11]，計(jì)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?？梢钥吹剑诖怪庇谲埫娣较蛏?，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(jìn)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(duì)應(yīng)的垂直軋面方向的彈性模量

2.2.3 晶粒尺寸對(duì)鋁箔柔軟度的影響

圖5為GC5硬態(tài)鋁箔經(jīng)過(guò)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(shí)，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(zhǎng)大到21.2 μm。因此，通過(guò)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(shí)，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(shí)，其柔軟度值達(dá)到了3 N-1。

圖6 鋁箔晶粒尺寸對(duì)鋁箔屈服強(qiáng)度、柔軟度的影響規(guī)律

根據(jù)圖1中柔軟度測(cè)試原理的分析可知，在鋁箔柔軟度測(cè)試過(guò)程中，鋁箔最終會(huì)發(fā)生塑性變形。因此，隨著鋁箔本身屈服強(qiáng)度的增加，探刀受到的鋁箔變形抗力會(huì)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(qiáng)度；

d—晶粒尺寸；

σ0、k—常數(shù)。

隨著晶粒尺寸d長(zhǎng)大，材料的屈服強(qiáng)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(qiáng)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(cè)試結(jié)果表明其屈服強(qiáng)度達(dá)到141.2 N/mm2，而柔軟度只有1.35 N-1，遠(yuǎn)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(xì)小，同時(shí)存在高密度的位錯(cuò)，因此其屈服強(qiáng)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(cè)，除了晶粒尺寸外，影響鋁箔屈服強(qiáng)度的其他因素如位錯(cuò)、析出相、固溶原子等，均可能會(huì)影響到鋁箔的柔軟度，并隨著鋁箔屈服強(qiáng)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(cè)試方法，將鋁箔在下壓8 mm深度過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)試過(guò)程中，鋁箔首先發(fā)生彈性變形，此時(shí)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(shí)主要與鋁箔的屈服強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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。