碳納米聚氨酯泡沫結構及其改善B柱吸能特性研究?

崔 岸，孫文龍，李 彬，程 普

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025)

前言

車輛結構耐撞性對于保護駕乘人員免受過度沖擊極其重要。在碰撞事故中，車輛的結構通常有兩個作用，即能量吸收和增加乘員生存空間。在正面碰撞時，汽車結構采用多載荷路徑，將碰撞能量在傳輸到乘員艙之前轉化為壓縮能量，從而保護駕乘人員安全。而側面碰撞時，由于車輛側面空間相對狹小，使駕乘人員的安全更難保證，因此，研究側面碰撞安全性具有重要意義。提高汽車結構的吸能能力是提高汽車耐撞性的關鍵。

薄壁管結構是車身常見結構形式。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常用材料，將其填充到薄壁管中，可提升構件的吸能能力[2]。但其吸能效果比其它吸能材料(例如泡沫鋁)偏低[3]。納米技術的出現促進了新型材料的研發，可開發出高吸能低密度的復合材料。而碳納米管作為一種具有超高強度、高模量的納米原材料，能有效改善材料性能。

傳統碳納米管復合材料的研究主要集中在兩方面:一方面是碳納米管金屬復合材料[4-7]，這是碳納米管復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合[8-10]。國內外學者針對碳納米管復合材料及其應用展開了相關的研究。比如碳納米管增強2024鋁基復合材料，能有效提高材料硬度、彈性模量和抗拉強度，而不降低其延伸率[11]；石墨烯碳納米管復合材料中，石墨烯和碳納米管之間會產生一種協同效應，使其各種物理化學性能得到增強[12]；而在制備高分子復合材料時，將碳納米管填充到復合材料中，可明顯改善復合材料的性能，包括傳導性、強度、彈性、韌性和耐久性等[13-15]。目前對碳納米管復合材料進行了一定的研究，但缺乏對其在吸能方面的針對性研究。因此加強碳納米管復合材料吸能特性與應用的研究很有實際意義。

本文中基于聚氨酯泡沫在汽車領域的廣泛應用及碳納米管的高強度和高剛度特性，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合結構的吸能特性，并通過應用于某轎車B柱來驗證在實際零部件上的吸能效果，實現在滿足汽車輕量化的同時，提高汽車耐撞性的目的，也豐富汽車吸能材料的研究。

1 碳納米聚氨酯泡沫制備與性能試驗

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泡工藝示意圖

碳納米聚氨酯泡沫的制備過程如下。

(1)量取不同質量的碳納米管。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℃的恒溫槽中進行外部冷卻。

(2)將混合乳液與TDI100以質量比5∶2的比例混合并置于燒杯，然后使用機械攪拌器以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，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

單位質量材料吸收的能量稱之為比吸能(SEA)。比吸能是吸能理論中評價材料吸能能力的重要參數。為計算比吸能，首先應完成能量的計算，即載荷位移-曲線中曲線下方的面積:

式中:W為壓縮過程吸收的總能量；P為壓縮載荷；l為壓縮位移。

假定這種壓縮方式是漸進型的過程可得

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量的比值表示，即

式中m為試驗樣本的總質量。

結合式(2)和式(3)，可將比吸能的計算公式演化為

式中:σm為試驗樣本的壓應力；K＝Lf/L，為試驗樣本的可壓縮性。

1.3 準靜態試驗分析

準靜態試驗主要包括:壓縮、拉伸和三點彎曲。首先制備6組不同含量的標準樣件，如圖2所示。樣件長、寬、高為30，30和15mm，對4種質量配比的樣件，通過準靜態壓縮試驗確定最佳的碳納米管含量。試驗前，對樣件進行打磨處理，使樣件受力均勻。試驗過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為試驗樣本的體積；ρ為試驗樣本的密度；A為試驗樣本的底面積；L為試驗樣本壓縮的位移。當試驗樣本的初始位移Li非常小時，可忽略不計。因此，可得到比吸能關系式為

圖2 壓縮試驗標準樣件

圖3 泡沫樣件圧縮過程

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，結果見表2，同時列出材料成本。由表可見，碳納米管含量過多并不一定能提高承載能力，這是因為過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合，導致對聚氨酯的承載能力起不到增強的作用，因此只有添加適量的碳納米管才會有效提高材料的承載能力。本文中選擇質量比為3%的碳納米聚氨酯泡沫作為后續研究對象。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%，這是由于當前碳納米管的制造成本偏高所致。

表2 準靜態壓縮試驗結果

對3%碳納米聚氨酯泡沫和普通聚氨酯泡沫材料進行拉伸和三點彎曲試驗，獲取相關材料屬性。準靜態試驗結果見表3。

表3 泡沫材料準靜態試驗結果 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于普通聚氨酯泡沫；壓縮強度和壓縮模量分別提升了63.9%和42.1%；拉伸強度和拉伸模量分別提升了43.6%和89.6%；彎曲強度和彎曲模量分別提升了44.7%和46%。由于碳納米管剛度高，使混合后復合材料的剛度獲得提高。碳納米聚氨酯泡沫強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，延遲了納米復合材料的斷裂過程；二是因為碳納米管具有較大的比表面積，可與聚氨酯泡沫發生更好的粘附作用，使其擁有更強的界面。另外，超聲混合也使碳納米管表面及其周圍的應力場與聚氨酯泡沫產生很強的機械結合。

2 薄壁圓管填充結構吸能特性研究

2.1 薄壁圓管填充結構試驗分析

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3種樣件進行壓縮試驗，試驗的5個階段見圖6，壓縮結果如圖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相對平緩。對比3種樣件的吸能能力，結果見表5?？梢钥闯?，碳納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勢。

表4 薄壁圓管材料屬性

圖6 圓管壓縮過程

圖7 3種試件壓縮結果

圖8 薄壁管以及泡沫填充薄壁管載荷-位移曲線

2.2 數值模擬分析

為進行填充薄壁管壓縮過程的仿真分析，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定性，圓管壁與碳納米聚氨酯泡沫之間采用自動面面接觸，圓管壁相互之間采用自動單面接觸，摩擦因數設為0.5。圓管與泡沫界面之間的動態和靜態摩擦因數分別設定為0.25和0.3。

表5 薄壁管以及填充薄壁管壓縮試驗結果

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程的仿真與試驗結果的對比。由圖可見:在彈性變形階段，兩條曲線基本重合；試驗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，疊縮開始階段曲線的波動范圍都很小，疊縮后期均產生兩個疊縮單元，壓實階段兩條曲線基本重合，由此可知仿真結果

圖10 填充薄壁管壓縮過程載荷 位移曲線

3 填充B柱的耐撞性仿真分析

對某款轎車的B柱分別進行無填充、普通聚氨酯泡沫填充和碳納米聚氨酯泡沫填充，進行側面耐撞性分析。碰撞模型如圖11所示，有限元模型主要包括B柱和臺車模型，對B柱進行兩端約束，參照法規采用移動可變形壁障對B柱模型進行碰撞仿真分析，碰撞速度為9.6m/s。填充B柱模型如圖12所示，B柱材料參數如表6所示。

圖11 碰撞仿真模型

表6 B柱材料參數

對原有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軟件進行仿真分析，選取4個關鍵點(分別對應乘員的頭部、胸部、腹部和臀部位置)的侵入量和侵入速度作為B柱碰撞安全性評價指標，如圖13所示。通過模擬汽車側撞后的關鍵點的變形，分析不同節點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果見表7，能量吸收情況對比如圖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個關鍵點中，侵入量優化比例最小為2.4%，最大則為5.7%；侵入速度的最小優化比例為0，最大優化比例為3.6%。而填充碳納米聚氨酯泡沫B柱的4個關鍵點中，侵入量優化比例最小為6.1%，最大則為14.3%；侵入速度的最小優化比例為2.4%，最大優化比例為6.2%。結果表明，B柱填充碳納米聚氨酯泡沫的耐撞性能明顯優于填充普通聚氨酯泡沫。且相比于汽車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，質量更輕，因此更加符合汽車輕量化的要求。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的不斷發展，未來必將會大大降低其制造成本，因此具有良好的應用前景。

圖12 填充B柱有限元模型

圖13 B柱關鍵點示意圖

表7 B柱關鍵點侵入量和侵入速度對比

圖14 B柱吸能對比

4 結論

填充吸能結構是提高汽車安全性的有效手段之一。利用碳納米管的高模量和高強度特性，將碳納米管與聚氨酯泡沫相結合，按照5種不同質量百分比制備碳納米聚氨酯泡沫樣件。通過試驗分析不同質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量比。

為獲得碳納米聚氨酯泡沫填充結構的吸能效果，通過試驗與仿真方法，對薄壁圓管、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行了對比分析。結果表明，碳納米聚氨酯泡沫填充圓管的最大壓力為40.9kN，其相對于薄壁圓管的比吸能提升比例達到39.3%，均明顯高于普通聚氨酯泡沫填充圓管和空圓管。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勢。

在實際應用方面，將碳納米聚氨酯泡沫填充至B柱進行仿真，結果表明填充后B柱相比于原有B柱吸能提升了106.4%。同時，填充后B柱的侵入量和侵入速度都有明顯改善，驗證了其具有良好的吸能性，在滿足輕量化的同時，可以有效增強汽車的側面抗撞性。