深冷工況下鋁塑膜拉伸性能及抗疲勞性能的探討

王雨杭 田富競 肖楚璠 鄭永 謝紹祥 黃河 張亞新

摘 要 本文研究了室溫與-196℃下（基于某產品的防潮層），江蘇與瑞典兩種不同型號鋁塑膜的拉伸性能和抗疲勞性能。試驗結果表明，在深冷工況下，江蘇鋁塑膜的性能作為防潮材料的可靠性優于瑞典鋁塑膜的性能。江蘇鋁塑膜室溫下的拉伸性能均優于瑞典鋁塑膜；瑞典鋁塑膜-196℃下的拉伸性能均優于江蘇鋁塑膜。江蘇鋁塑膜與瑞典鋁塑膜在-196℃經過5000次曲撓試驗后，表面均出現微觀缺陷，但曲撓疲勞試驗后江蘇鋁塑膜的拉伸性能基本保持不變，瑞典鋁塑膜的拉伸性能略有上升，說明瑞典鋁塑膜抗疲勞性能優于江蘇鋁塑膜。

關鍵詞 深冷工況；鋁塑膜；疲勞試驗；SEM

Discussion on Tensile and Fatigue Resistance of

Aluminum Plastic Film under Cryogenic Condition

WANG Yuhang¹， TIAN Fujing¹， XIAO Chufan¹， ZHENG Yong¹，

XIE Shaoxiang¹， HUANG He¹， ZHANG Yaxin¹

（1.Zhuzhou Times Rubber and Plastics Components Development Co.，Ltd， Zhuzhou 412007；

2.China Aerodynamics Research and Development Center， Mianyang 621000）

ABSTRACT In this paper， the tensile properties and fatigue resistance of two different types of aluminum-plastic films （Jiangsu and Sweden） at room temperature and-196 ℃ were studied. The test results show that the performance of Jiangsu aluminum plastic film is better than that of Sweden aluminum plastic film as moisture-proof material under cryogenic condition. The tensile properties of Jiangsu aluminum plastic film at room temperature are better than that of Sweden aluminum plastic film; The tensile properties of Swedish aluminum plastic film at-196 ℃ are better than those of Jiangsu aluminum plastic film. After 5000 times of flexure test at-196 ℃， both Jiangsu aluminum plastic film and Sweden aluminum plastic film have micro defects on the surface. However， after flexure fatigue test， the tensile properties of Jiangsu aluminum plastic film basically remain unchanged， while the tensile properties of Sweden aluminum plastic film slightly increase， indicating that the fatigue resistance of Sweden Discussion on tensile properties and fatigue resistance of aluminum plastic film as moisture-proof layer under cryogenic conditionsaluminum plastic film is better than that of Jiangsu aluminum plastic film.

KEYWORDS cryogenic condition ;aluminum-plastic film; fatigue experiment; SEM

通訊作者：王雨杭，男，碩士，助理工程師。研究方向為航空復合材料。E-mail：1012737696@qq.com

1 引言

在許多航空器試驗的深冷工況中，需要為絕熱產品鋪設防潮層，以防止在施工過程中環境中的水氣進入產品影響其絕熱效果。鋁塑膜在室溫工況下常用做尖端產品的保護材料，例如3C（計算機類、通信類、消費類電子產品） 、光伏背板等^［1-3］，但很少有將其應用到深冷工況的案例，本文著重考察了在-196℃下塑膜產品的拉伸與抗曲撓疲勞性能，探究其在深冷工況作為防潮材料的可靠性。

2 簡介

鋁塑復合膜（簡稱“鋁塑膜”）是由鋁箔、多種塑料膜和粘合劑（包括粘接性樹脂）組成的復合軟包裝材料，其具有質量輕、強度高、阻氧、防潮、以及對腐蝕性的酸、堿、鹽或有機溶劑等液態化學物質具有較高穩定性等優點，因此被廣泛應用于聚合物鋰電池軟包材料、食品包裝的防潮、醫療類尖端產品的包裝等領域^［4-7］。

本文選用了江蘇鋁塑膜與瑞典鋁塑膜兩種型號的產品進行對比試驗，兩種鋁塑膜試樣的結構、性能參數如表1所示。

3 試驗部分

3.1 室溫下兩種鋁塑膜拉伸試驗性能對比

按照GB/T 1040.3-2006 《塑料 拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》對兩種廠家的鋁塑膜進行了室溫下的拉伸性能測試，每組測試5個試樣，試樣類型為GB/T 1040.3-2006中的2型試樣，兩種鋁塑膜試樣尺寸如表2所示。試驗儀器為JYW-92 Z010高低溫電子萬能材料試驗機，試驗速度：50mm/min。

江蘇鋁塑膜、瑞典鋁塑膜室溫下不同裁切方向的拉伸測試結果如圖1所示。其中，江蘇鋁塑膜沿X軸裁樣方向的一個試樣，拉伸試驗時在標距外發生斷裂，按照標準其測試結果應舍棄，其余試樣測試全過程均符合GB/T 1040.3-2006，結果可靠。

由圖1可知，江蘇鋁塑膜、瑞典鋁塑膜X軸方向與Y軸方向兩種裁樣方式制備的試樣室溫下拉伸性能無明顯差別，說明江蘇鋁塑膜與瑞典鋁塑膜試樣室溫下的抗拉強度、拉伸模量與斷裂伸長率與X軸方向或Y軸方向兩種裁樣方式無關，兩種廠家的鋁塑膜產品在長×寬的平面是均質性的。對比圖1中江蘇鋁塑膜和瑞典鋁塑膜室溫下的拉伸性能，其中江蘇鋁塑膜室溫下的拉伸強度、拉伸模量均大于瑞典鋁塑膜，這是因為江蘇鋁塑膜的厚度大于瑞典鋁塑膜，其8079-O系鋁的鋁箔厚度較瑞典鋁塑膜1200-O系鋁的鋁箔厚度大，LDPE層的厚度幾乎相同，隨著鋁箔厚度增加，材料的抗拉強度與拉伸模量增加；瑞典鋁塑膜室溫下的斷裂伸長率略高于江蘇鋁塑膜，說明瑞典鋁塑膜室溫下相比江蘇鋁塑膜具有有更好的塑性。

3.2 -196℃（液氮氛圍）下兩種鋁塑膜拉伸試驗性能對比

同樣按照GB/T 1040.3-2006對兩種廠家的鋁塑膜進行了室溫下的拉伸性能測試，每組測試5個試樣，由于兩種廠家鋁塑膜的拉伸強度、拉伸模量及斷裂伸長率與沿X軸或Y軸兩種裁切方式無關，因此只對樣品進行X軸方向裁樣，測試條件與第2.1節室溫下兩種鋁塑膜性能對比測試的條件相同。江蘇鋁塑膜、瑞典鋁塑-196℃下拉伸測試結果如圖2所示，試樣測試全過程均符合GB/T 1040.3-2006，結果可靠。

由圖2可知，-196℃下瑞典鋁塑膜的抗拉強度、拉伸模量均高于江蘇鋁塑膜，而瑞典鋁塑膜的厚度小于江蘇鋁塑膜，兩種廠家鋁塑膜幾乎不發生彈塑性變形，因此在-196℃下，瑞典鋁塑膜相比與江蘇鋁塑膜具有更優異的抗拉伸性能。對比圖2與圖1中數據可知，當試驗溫度從室溫降至-196℃，江蘇鋁塑膜與瑞典鋁塑膜的抗拉強度、拉伸模量均增大，而斷裂伸長率急劇減小，江蘇鋁塑膜的斷裂伸長率減小了30倍以上，瑞典鋁塑膜的斷裂伸長率減小了40倍以上，說明兩種廠家的鋁塑膜在-196℃下被拉斷前均只發生了微小形變，兩種廠家的鋁塑膜材料在-196℃下幾乎不發生彈塑性變形。-196℃下兩種廠家的鋁塑膜產品抗拉強度、拉伸模量升高，這是因為鋁箔材料的屈服強度理論上指的是材料晶體位錯開始時的臨界切應力，而低溫下鋁箔晶體錯位活動減弱，屈服強度提高^［8］，因此兩種廠家的鋁塑膜產品抗拉強度、拉伸模量升高。

3.3 -196℃（液氮氛圍）下兩種鋁塑膜曲撓疲勞試驗對比

與中國科學院理化技術研究所合作設計了-196℃下鋁塑膜的曲撓疲勞試驗，試驗儀器為安裝盛液氮容器的JYW-92 Z010高低溫電子萬能材料試驗機，保證鋁塑膜試樣曲撓疲勞試驗過程中完全浸沒于液氮。兩個廠家的鋁塑膜各測試10個試樣，試驗儀器同時夾持同一廠家的10個鋁塑膜試樣進行試驗，江蘇鋁塑膜尺寸為：長×寬×厚=（300±1） mm×（100±1）mm×（100±5）μm， 瑞典鋁塑膜尺寸為：長×寬×厚=（300±1） mm×（100±1）mm×（80±5）μm，曲撓位移100mm，頻率0.16Hz，每組曲撓疲勞循環5000次。試驗結束后，目測兩廠家鋁塑膜試樣表面無發白、裂紋等缺陷產生，用掃描電鏡（SEM）對試驗前后江蘇鋁塑膜與瑞典鋁塑膜的表面形貌進行觀測，兩種廠家鋁塑膜試樣曲撓疲勞前后SEM圖如圖3所示。

由圖3可知，江蘇鋁塑膜曲撓疲勞試驗前后試樣表面出現多處銀紋，這是因為鋁塑膜試樣中的LDPE膜在張應力的作用下，材料的薄弱部位出現應力集中而產生的局部塑性形變和取向，在其表面垂直于應力方向上出現的細微“凹槽”或“裂紋”的現象^［9］。瑞典鋁塑膜曲撓疲勞試驗前后試樣表面未出現銀紋，但其表面出現了直徑大小在10μm～20μm左右破損，其LDPE膜在曲撓疲勞試驗中發生破孔。因此，兩個廠家的鋁塑膜產品在-196℃的曲撓疲勞試驗后，其表面均存在微觀缺陷。

同樣按照GB/T 1040.3-2006對兩種廠家-196℃曲撓疲勞試驗后的鋁塑膜裁樣進行室溫下的拉伸性能測試，每組測試5個試樣，測試條件與第2.1節室溫下兩種廠家鋁塑膜性能對比測試的條件相同，曲撓疲勞試驗前后試樣拉伸性能對比結果如圖4所示，試樣測試全過程均符合GB/T 1040.3-2006，結果可靠。

由圖4可知，-196℃曲撓疲勞試驗前后，江蘇鋁塑膜試樣的抗拉強度、拉伸模量及斷裂伸長率均無明顯變化，說明江蘇鋁塑膜樣品經過-196℃的曲撓疲勞循環，雖微觀表面出現銀紋，但其微觀上出現的缺陷不會影響材料的拉伸性能。瑞典鋁塑膜經-196℃曲撓疲勞試驗后，其抗拉強度與拉伸模量略有上升，斷裂伸長率無明顯變化，這是因為瑞典鋁塑膜在5000次曲撓疲勞過程中，其鋁箔的晶格重新取向而發生重排，形成了更穩定的結構^［10］。瑞典鋁塑膜樣品經過-196℃的曲撓疲勞循環，雖微觀表面LDPE膜出現破孔，但微觀上出現的缺陷不會影響材料的拉伸性能。而兩種型號的鋁塑膜經5000次曲撓后，江蘇鋁塑膜的拉伸性能基本保持不變，而瑞典鋁塑膜的拉伸性能略有上升，說明瑞典鋁塑膜相比江蘇鋁塑膜具有更優異的抗疲勞性。

4 結語

本文研究得出了以下結論：

（1）江蘇鋁塑膜的鋁箔厚度大于瑞典鋁塑膜，其室溫下的拉伸性能優于瑞典鋁塑膜；當從室溫降至-196℃，江蘇鋁塑膜與瑞典鋁塑膜的斷裂伸長率均急劇下降，說明兩種廠家的鋁塑膜在-196℃下幾乎不發生彈塑性變形；由于瑞典鋁塑膜的鋁箔材料具有更優異的耐低溫特性，其抗拉強度與拉伸模量在-196℃均優于江蘇鋁塑膜。

（2）江蘇鋁塑膜與瑞典鋁塑膜在-196℃經過5000次曲撓后，表面均出現微觀缺陷，但曲撓疲勞試驗后江蘇鋁塑膜的拉伸性能基本保持不變，瑞典鋁塑膜的拉伸性能略有上升，說明兩種型號鋁塑膜在-196℃曲撓疲勞后仍具有良好的拉伸性能，其中瑞典鋁塑膜抗疲勞性能優于江蘇鋁塑膜。

綜上所述，作為液氮氛圍下使用的防潮材料，瑞典鋁塑膜與江蘇鋁塑膜均具有較強拉伸強度與抗曲撓疲勞性能，而兩款產品的斷裂伸長率大幅下降；綜合比較，瑞典鋁塑膜的拉伸與抗曲撓疲勞性能優于江蘇鋁塑膜。

參 考 文 獻

［1］馮慧杰，張學建，馬亞男．鋰離子電池鋁塑復合膜發展趨勢綜述［J］．信息記錄材料，2019，20（8）：9-12.

［2］張學建，張艷，胡亞召．聚合物鋰離子電池軟包鋁塑膜的研究進展［J］．Information Recording Materials，2013，14（6）：42-48.

［3］馬亞男，王俊環．鋁箔表面預處理對鋁塑膜熱封性能及耐濕熱性能的影響［J］．信息記錄材料，2018，19（7）：219-223.

［4］劉亞明，王艷飛，黃磊，等．鋰離子電池鋁塑膜腐蝕的預測方法［J］．電池，2017，47（1）：27-30.

［5］章結兵，石亞麗，韓梓濤．軟包鋰離子電池封裝鋁塑膜材料保護機理分析及測試方法［J］．塑料工業，2018，46（11）：5-8.

［6］崔海星．軟包鋰電池鋁塑膜專利技術分析［J］．儲能科學與技術，2019，8（1）：209-214.

［7］任寧，孫延先，吳耀輝，等．軟包裝鋰離子電池鋁塑膜的腐蝕行為［J］有色金屬工程，2015，5（5）：29-32.

［8］李春雷．熱處理工藝中溫度及應力與金屬材料的關系探討［J］．科學技術，2018（3）：110-112.

［9］熊芬，管蓉，魯德平，等．聚合物的銀紋研究進展［J］．高分子通報，2006（1）：44-52.

［10］王子瑛．分子重排反應中的呂·查德里原理［J］．泰安師專學報，2001，23（6）：69-71.