材料測試分析在汽車電子產品研發中的應用
1 引言
隨著汽車電子產品在汽車的上應用了越來越多，汽車電子產品在整車上的重要性日益突顯，但是國內汽車行業下游擁有汽車電子產品自主的研發實力的企業較少，研發的產品性能、可靠性還落后于國際一流汽車電子企業。目前，國內汽車電子企業廠在新產品研發過程中一般會先對國外樣件進行Benchmark，而Benchmark過程中關鍵的一環就是采用合適的儀器及方法分析樣件的關鍵部件的材料及制造工藝，縮短國內對此類產品的開發周期，為自主研發的材料選型及選擇制造工藝提供參考依據。同樣，利用先進的測試設備對自主研發產品的失效件進行分析，可以查找產品失效的根本原因，為改進產品設計及補救措施提供強有力的理論支持。
2 實際應用-材料逆向分析
2.1 EDX在汽車遙控鑰匙電池彈片材料及鍍層分析中的應用
EDX(Energy Dispersive X-Ray)即能量色散X射線光譜儀，是根據分析試樣發出的元素特征X射線波長測試試樣所含的元素，根據強度測定元素的相對含量，已在材料及鍍層厚度分析中得到廣泛應用。
圖1為奧迪車鑰匙的正、負極電池彈片在接觸觸點位置的EDX測量結果。由圖1可知，正極彈片的鍍層工藝為先鍍鎳(2μm)后鍍金(2.8μm);負極彈片的鍍層工藝為先鍍鎳(2μm)后鍍金(2.2μm)。表1列出了不同車廠的遙控鑰匙彈片的EDX測試結果。采用EDX儀器，研究遙控鑰匙電池彈片的電鍍工藝是一種低成本且可靠的途徑，并對國內自主研發遙控鑰匙彈片正向設計具有指導意義。
圖1奧迪某款遙控鑰匙正、負極彈片EDX測試結果
表1 某些車廠遙控鑰匙正、負極彈片EDX測試結果
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彈片樣件 |
彈片基料 |
彈片鍍層(μm) |
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樣件1 |
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負極 |
SUS301 |
Ni(4)+Sn(18) |
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樣件2 |
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負極 |
SUS301 |
Ni(4)+Sn(7) |
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樣件3 |
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負極 |
SUS301 |
Sn(15) |
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樣件4 |
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負極 |
SUS301 |
Ni(8)+Sn(13) |
2.2 EDX在開關面板金手指鍍層材料及厚度分析中的應用
金手指的結構和電鍍工藝是開關面板中非常關鍵的地方，直接影響開關的接觸電阻，關系到開關的導電性和可靠性，所以利用EDX儀器對國外部件進行研究具有很大考價值。圖2為美國TRW某車型開關面板金手指EDX測試結果，測試結果顯示金手指覆銅板上面依次電鍍工藝為鍍鎳6μm，鍍金1.5μm。表2列出了不同車廠的開關面板金手指的EDX測試結果。采用EDX儀器，研究開關面板金手指的電鍍工藝是一種低成本且可靠的途徑，并對國內自主研發開關面板金手指具有指導意義。
圖2美國TRW某車型開關面板金手指EDX測試結果
表2 某些車廠開關面板金手指EDX測試結果
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金手指樣件 |
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樣件1 |
樣件2 |
樣件3 |
樣件4 |
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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執行機構蝸桿材料分析中的應用
圖3 AFS執行機構蝸桿樣件IR測試結果
IR(Infrared Radiation)即紅外光譜法,利用物質對紅外光區的電磁輻射的選擇性吸收來進行結構分析及對各種吸收紅外光的聚合物的定性和定量分析的方法。圖3為AFS執行機構蝸桿樣件IR測試結果，由紅外圖譜可知，1642cm-1(酰胺I譜帶)為羰基伸縮振動，1 550cm-1(酰胺II譜帶)為N-H彎曲和C-N伸縮振動的組合吸收;1273cm-1(酰胺III譜帶)也是 C-N-H的組合吸收。根據蝸桿材料的紅外特征峰特征，可以初步判斷為尼龍類材料，為了進一步確認其為尼龍6還是尼龍66或尼龍6T等，采用DSC進一步對蝸桿材料的熔點進行測試。
2.4 DSC在AFS執行機構蝸桿材料分析中的應用
DSC(differential scanning calorimetry)即示差掃描量熱法，它是在程序控制溫度下，測量輸給物質和參比物的功率差與溫度關系的一種技術，以表征所有與熱效應有關的物理變化和化學變化，已被廣泛應用于測量聚合物的玻璃化轉變溫度、熱變形溫度及熔點等。圖4為AFS執行機構蝸桿樣件DSC測試結果，因此由測試結果可知AFS執行機構蝸桿材料的峰值熔點為250.8℃，被未增強的尼龍66稍低，故可知蝸桿基材的材料為尼龍66，為了進一步對增強材料的含量及成分進行確認，需要進一步對樣件進行TGA測試。
圖4 AFS執行機構蝸桿樣件DSC測試結果
2.5 TGA在AFS執行機構蝸桿材料分析中的應用
TGA(Thermogravimetric analysis)即熱失重分析法，它是以恒定速度加熱試樣，同時連續地測定試樣失重的一種動態方法。此外，也可在恒定溫度下，將失重作為時間的函數進行測定。應用TGA可以研究各種氣氛下高聚物的熱穩定性和熱分解作用，測定揮發物和殘渣，增塑劑的揮發性，水解和吸濕性，吸附和解吸，氣化速度和氣化熱;升華速度和升華熱，氧化降解，縮聚高聚物的固化程度，有填料的高聚物或摻和物的組成，它還可以研究固相反應，已成為廣泛應用于聚合物分析與研究的一項成熟技術。圖5是AFS執行機構蝸桿樣件TGA測試結果，由測試結果可知，蝸桿的增強材料為43%，經光學顯微鏡觀測失重后的殘留物均為玻纖增強物質。
圖5 AFS執行機構蝸桿樣件TGA測試結果
3 實際應用-失效分析
3.1 SEM在某傳感器支架失效原因分析中的應用
SEM(scanning electron microscope)即電子掃描電鏡，是用細聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用的二次電子、背散射電子等對樣品表面或斷口形貌進行觀察和分析，是顯微結構分析的主要儀器。
圖6 傳感器支架失效分析SEM測試結果
圖6(a)是某傳感器支架裝車后在實車道路實驗過程中發生了斷裂，對斷裂支架的斷口進行微觀分析，定位支架的根本原因。圖6(b)、圖6(c)是支架斷口微觀形貌的SEM圖片，從支架斷口微觀形貌圖片可以清楚的看出支架斷口呈現明顯的疲勞斷裂特征，有比較明顯且規則的疲勞斷裂的紋理，根據微觀形貌可以斷定，支架斷裂的過程是首先從90°折彎內側的應力集中區引發的，隨著疲勞紋的擴展向折彎外側延深，支架外側也出現了疲勞紋的特征，當疲勞紋從內外測向材料內部擴展到一定深度，支架的強度不足以支撐傳感器的重量時，支架發生了一次性的脆性斷裂。根據支架斷裂起因是由于支架的折彎半徑過小，導致支架內部應力過于集中，調整了支架的結構設計，加大了支架的折彎半徑，重新進行實車道路試驗，解決了此問題。
結束語
采用先進的材料分析測試儀器對國外先進的汽車電子產品的關鍵部件進行材料逆向分析，可以縮短自主研發產品的周期及提高自主產品的質量;采用先進材料分析儀器對自主產品失效件進行分析，可以查找失效的根本原因，為研發提出行而有效的改進措施大有幫助。本文在遙控鑰匙彈片鍍層工藝、開關面板金手指鍍層工藝、AFS執行蝸桿材料逆向材料分析方面及對傳感器支架斷裂失效分析方面做了初步探討，達到了預期的成果。
