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材料测试分析在汽车电子产品研发中的应用

2015-11-13 09:34:32

[导读] 随着汽车电子产品在汽车的上应用了越来越多,汽车电子产品在整车上的重要性日益突显,但是国内汽车行业下游拥有汽车电子产品自主的研发实力的企业较少,研发的产品性能、可靠性还落后于国际一流汽车电子企业。目前,国内汽车电子企业厂家在新产品研发过程中一般会先对国外样件进行Benchmark,而Benchmark过程中关键的一环就是采用合适的仪器及方法分析样件的关键部件的材料及制造工艺,缩短国内对此类产品的开发周期,为自主研发的材料选型及选择制造工艺提供参考依据。同样,利用先进的测试设备对自主研发产品的失效件进行分析,

1 引言

随着汽车电子产品在汽车的上应用了越来越多,汽车电子产品在整车上的重要性日益突显,但是国内汽车行业下游拥有汽车电子产品自主的研发实力的企业较少,研发的产品性能、可靠性还落后于国际一流汽车电子企业。目前,国内汽车电子企业厂家在新产品研发过程中一般会先对国外样件进行Benchmark,而Benchmark过程中关键的一环就是采用合适的仪器及方法分析样件的关键部件的材料及制造工艺,缩短国内对此类产品的开发周期,为自主研发的材料选型及选择制造工艺提供参考依据。同样,利用先进的测试设备对自主研发产品的失效件进行分析,可以查找产品失效的根本原因,为改进产品设计及补救措施提供强有力的理论支持。

2 实际应用-材料逆向分析

2.1 EDX在汽车遥控钥匙电池弹片材料及镀层分析中的应用

EDX(Energy Dispersive X-Ray)即能量色散X射线光谱仪,是根据分析试样发出的元素特征X射线波长测试试样所含的元素,根据强度测定元素的相对含量,已在材料及镀层厚度分析中得到广泛应用。

图1为奥迪车钥匙的正、负极电池弹片在接触触点位置的EDX测量结果。由图1可知,正极弹片的镀层工艺为先镀镍(2μm)后镀金(2.8μm);负极弹片的镀层工艺为先镀镍(2μm)后镀金(2.2μm)。表1列出了不同车厂的遥控钥匙弹片的EDX测试结果。采用EDX仪器,研究遥控钥匙电池弹片的电镀工艺是一种低成本且可靠的途径,并对国内自主研发遥控钥匙弹片正向设计具有指导意义。

图1奥迪某款遥控钥匙正、负极弹片EDX测试结果

表1 某些车厂遥控钥匙正、负极弹片EDX测试结果

弹片样件

弹片基料

弹片镀层(μm)

样件1

负极

SUS301

NI(4)+Sn(18)

样件2

负极

SUS301

Ni(4)+Sn(7)

样件3

负极

SUS301

Sn(15)

样件4

负极

SUS301

Ni(8)+Sn(13)

2.2 EDX在开关面板金手指镀层材料及厚度分析中的应用

金手指的结构和电镀工艺是开关面板中非常关键的地方,直接影响开关的接触电阻,关系到开关的导电性和可靠性,所以利用EDX仪器对国外部件进行研究具有很大考价值。图2为美国TRW某车型开关面板金手指EDX测试结果,测试结果显示金手指覆铜板上面依次电镀工艺为镀镍6μm,镀金1.5μm。表2列出了不同车厂的开关面板金手指的EDX测试结果。采用EDX仪器,研究开关面板金手指的电镀工艺是一种低成本且可靠的途径,并对国内自主研发开关面板金手指具有指导意义。

图2美国TRW某车型开关面板金手指EDX测试结果

表2 某些车厂开关面板金手指EDX测试结果

金手指样件

样件1

样件2

样件3

样件4

Au(0.7)+Ni(5.5)

Au(1)+Ni(7.5)

Au(1)+Ni(6)

Au(1.5)+Ni(7)

2.3 IR在AFS执行机构蜗杆材料分析中的应用

图3  AFS执行机构蜗杆样件IR测试结果

IR(Infrared Radiation)即红外光谱法,利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及对各种吸收红外光的聚合物的定性和定量分析的方法。图3为AFS执行机构蜗杆样件IR测试结果,由红外图谱可知,1642cm-1(酰胺I谱带)为羰基伸缩振动,1 550cm-1(酰胺II谱带)为N-H弯曲和C-N伸缩振动的组合吸收;1273cm-1(酰胺III谱带)也是 C-N-H的组合吸收。根据蜗杆材料的红外特征峰特征,可以初步判断为尼龙类材料,为了进一步确认其为尼龙6还是尼龙66或尼龙6T等,采用DSC进一步对蜗杆材料的熔点进行测试。

2.4 DSC在AFS执行机构蜗杆材料分析中的应用

DSC(differential scanning calorimetry)即示差扫描量热法,它是在程序控制温度下,测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术,以表征所有与热效应有关的物理变化和化学变化,已被广泛应用于测量聚合物的玻璃化转变温度、热变形温度及熔点等。图4为AFS执行机构蜗杆样件DSC测试结果,因此由测试结果可知AFS执行机构蜗杆材料的峰值熔点为250.8℃,被未增强的尼龙66稍低,故可知蜗杆基材的材料为尼龙66,为了进一步对增强材料的含量及成分进行确认,需要进一步对样件进行TGA测试。

图4  AFS执行机构蜗杆样件DSC测试结果

2.5 TGA在AFS执行机构蜗杆材料分析中的应用

TGA(Thermogravimetric analysis)即热失重分析法,它是以恒定速度加热试样,同时连续地测定试样失重的一种动态方法。此外,也可在恒定温度下,将失重作为时间的函数进行测定。应用TGA可以研究各种气氛下高聚物的热稳定性和热分解作用,测定挥发物和残渣,增塑剂的挥发性,水解和吸湿性,吸附和解吸,气化速度和气化热;升华速度和升华热,氧化降解,缩聚高聚物的固化程度,有填料的高聚物或掺和物的组成,它还可以研究固相反应,已成为广泛应用于聚合物分析与研究的一项成熟技术。图5是AFS执行机构蜗杆样件TGA测试结果,由测试结果可知,蜗杆的增强材料为43%,经光学显微镜观测失重后的残留物均为玻纤增强物质。

图5  AFS执行机构蜗杆样件TGA测试结果

3 实际应用-失效分析

3.1 SEM在某传感器支架失效原因分析中的应用

SEM(scanning electron microscope)即电子扫描电镜,是用细聚焦的电子束轰击样品表面,通过电子与样品相互作用的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析,是显微结构分析的主要仪器

图6  传感器支架失效分析SEM测试结果

图6(a)是某传感器支架装车后在实车道路实验过程中发生了断裂,对断裂支架的断口进行微观分析,定位支架的根本原因。图6(b)、图6(c)是支架断口微观形貌的SEM图片,从支架断口微观形貌图片可以清楚的看出支架断口呈现明显的疲劳断裂特征,有比较明显且规则的疲劳断裂的纹理,根据微观形貌可以断定,支架断裂的过程是首先从90°折弯内侧的应力集中区引发的,随着疲劳纹的扩展向折弯外侧延深,支架外侧也出现了疲劳纹的特征,当疲劳纹从内外测向材料内部扩展到一定深度,支架的强度不足以支撑传感器的重量时,支架发生了一次性的脆性断裂。根据支架断裂起因是由于支架的折弯半径过小,导致支架内部应力过于集中,调整了支架的结构设计,加大了支架的折弯半径,重新进行实车道路试验,解决了此问题。

结束语

采用先进的材料分析测试仪器对国外先进的汽车电子产品的关键部件进行材料逆向分析,可以缩短自主研发产品的周期及提高自主产品的质量;采用先进材料分析仪器对自主产品失效件进行分析,可以查找失效的根本原因,为研发提出行而有效的改进措施大有帮助。本文在遥控钥匙弹片镀层工艺、开关面板金手指镀层工艺、AFS执行蜗杆材料逆向材料分析方面及对传感器支架断裂失效分析方面做了初步探讨,达到了预期的成果。

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