铝箔柔软度的测试方法及其影响因素研究

金晓杰，陈 伟，马 科，冯 丹，付 裕，郭世杰，赵丕植

(1.中铝材料应用研究院有限公司 苏州分公司，苏州 215026；2.中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209)

锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长、充放电快等诸多优点，已成为3C、电动汽车等领域的首选。而以铝塑复合膜为外壳的软包装锂离子电池，具有质量轻、设计灵活、能量密度高等优点，目前在3C领域得到了广泛应用，并逐步开始应用于动力电池等领域[1]。锂离子电池软包装用铝塑膜一般由尼龙、铝箔、树脂三种材料复合而成，其中铝箔主要起到阻隔气体和水汽，以及同时保证铝塑膜成形的作用[2]。锂离子电池软包装用铝塑膜对铝箔的综合性能要求较高，包括铝箔表面粗糙度、表面残油量、针孔数量、强度、伸长率、成形性能等[3-4]。

最近的研究结果发现，由相对较柔软的铝箔制成的铝塑膜在最终翻边对折过程中，不易发生开裂，保证了电池的安全性。因此，下游铝塑膜生产企业希望对铝箔产品的柔软度进行控制。但是到目前为止，铝箔的柔软度既无定义，也无测试方法，下游用户主要通过手抓铝箔进行评判。这种主观感受无法代替有说服力的客观数据作为铝箔产品柔软度的评判标准。因此，急需研究出一种铝箔柔软度的测试方法来评价其柔软度，进而分析铝箔柔软度的影响因素，以便优化生产工艺制得柔软同时综合性能优良的铝箔产品。

目前，柔软度的概念主要存在于纸张、织物等行业，其主要的评价方法有人体触觉法、下垂法、挺度、抗皱性、柔软度测试仪等[5-8]。其中，柔软度测试仪是基于悬臂梁试验推导出的一种柔软性测试方法，能够同时反映测试样品柔韧性和表面粗糙度的综合影响，因而得到了广泛的应用。为此，本研究项目以柔软度测试仪为基础，探讨了适合铝箔柔软度测试的方法，同时定义了铝箔柔软度的概念。在此基础上，实验研究了国内外不同铝箔之间的柔软度差异，并借助以上方法，研究了铝箔表面粗糙度、织构、晶粒尺寸对铝箔柔软度的影响规律和作用机制。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验的铝箔产品有：进口1，代号JK1，AA8021铝合金，厚30 μm；进口2，代号JK2，AA8079铝合金，厚40 μm；国产1，代号GC1，AA8021铝合金，厚40 μm；国产2，代号GC2，AA8021铝合金，厚40 μm；国产3，代号GC3，AA8021铝合金，厚40 μm；国产4，代号GC4，AA8021铝合金，厚50 μm。以上均为O状态箔材。另外还有H18状态的国产铝箔，代号GC5，AA8021铝合金，厚40 μm。通过改变铝箔的成品退火制度来调控其组织，进而研究微观组织对铝箔柔软度的影响规律，GC5的成品退火制度如表1所示。

表1 国产铝箔GC5的成品退火制度

1.2 组织及拉伸性能评价方法

采用Sensofar S Neox表面轮廓仪测量铝箔表面的面粗糙度Sa。通过电解抛光工艺制备铝箔EBSD样品，采用JSM6460型扫描电镜进行EBSD实验，选择的步长为2.5 μm。采用TSL OIM Analysis 5软件对EBSD数据进行分析，得到铝箔的晶粒尺寸、织构种类与比例。

采用专门的取样器沿铝箔的轧制方向切取铝箔拉伸样品，保证铝箔边缘无明显毛刺和褶皱，拉伸样品尺寸为15 mm×200 mm。采用INSTRON拉伸机进行拉伸实验，屈服前后拉伸速率分别为1 mm/min和3 mm/min，每种样品至少测试3个样品，取其平均值作为拉伸性能的最终结果。

1.3 铝箔柔软度的定义与测试方法

采用海达国际仪器有限公司的柔软度测试仪测试铝箔柔软度，其测试设备和测试原理如图1所示。具体测试过程和原理如下：首先将样品平整地置于一定宽度的狭槽之上，随后运行设备使探刀匀速下压，在此过程中，探刀和铝箔发生接触，进而受到铝箔产生的变形抗力F铝箔抗力，与此同时，铝箔会与狭槽边缘发生相对运动而产生摩擦力f摩擦力，进一步增加了探刀受到的阻力F阻力。因此，F阻力可以用以下公式表达：

图1 铝箔柔软度的测试设备及测试原理示意图

F阻力=F铝箔抗力+f摩擦力

(1)

在此过程中，利用扭力杆另一端的力传感器随时记录探刀下压过程中受到的阻力，得到下压位移-阻力的曲线，如图2所示。从下压位移-阻力曲线中获得最大的阻力值，取该值的倒数定义为铝箔的柔软度S柔，具体表达公式如下：

(2)

利用以上方法，一方面可以测得材料本身的软硬程度，同时也能反映铝箔表面粗糙度的影响，因此能够定量反映手抓铝箔的直观感受。

在测试过程中，铝箔首先发生弹性变形，随后发生塑性变形。这与纸张、织物柔软度测试时有所不同，后两种材料基本不会发生塑性变形。由图2也可知，在测试初期，探刀受到的阻力快速增加，此时铝箔主要发生弹性变形，随后阻力增加趋缓，此时铝箔发生了塑性变形，即发生了屈服；当下压量达到一定程度后，摩擦力和铝箔抗力的总和趋于不变，最终探刀受到的阻力达到稳定。

图2 铝箔柔软度测试过程中传感器测得的阻力与下压位移的关系曲线

铝箔柔软度测试样品尺寸为100 mm×100 mm，测试时铝箔光面朝上，保证样品平整，轧制方向垂直于狭槽，下压位置为铝箔的1/3长度处，最大下压位移为8 mm，下压速率为1.2 mm/s，狭槽宽度为20 mm。通过柔软度测试仪直接获得下压8 mm过程中的最大阻力，取其倒数，作为柔软度测试值。每种样品至少测量8个样品以上，取其平均值作为最终结果。

2 实验结果与分析

2.1 不同厂家生产铝箔的柔软度

利用以上柔软度测试方法对不同厂家生产的铝箔进行柔软度分析，其结果如图3所示。由图3可知，不同厂家的铝箔呈现出完全不同的柔软度测试结果。厚度为30 μm的JK1铝箔的柔软度最高，达到了3.18 N-1，而厚度为50 μm的GC5铝箔的柔软度最低，只有1.35 N-1。在厚度为40 μm的铝箔中，柔软度值从大到小依次排列为JK2、GC3、GC1、GC2。这与目前下游用户对不同厂家生产的铝箔柔软度的直观感受是一致的，即国产铝箔的柔软度普遍小于进口铝箔的。

图3 不同厂家铝箔的柔软度测试结果

2.2 铝箔微观组织对其柔软度的影响

2.2.1 表面粗糙度对铝箔柔软度的影响

由于铝塑膜用软包装铝箔一般采用双合箔轧生产，因此铝箔的两面会呈现不同的粗糙度，分别称为光面和暗面。表2为GC1和GC3铝箔光面和暗面的粗糙度，以及光面向下和暗面向下时测得的柔软度结果。可以看到，GC1和GC3铝箔光面的面粗糙度分别为0.07 μm和0.06 μm，而暗面的面粗糙度均为0.26 μm。由于在柔软度测试过程中，铝箔和狭缝之间会产生相对运动，进而产生摩擦力，最终增加F阻力。因此，随着测试面(向下的面)的面粗糙度增加，相应地，摩擦因数也会增加，进而导致f摩擦力增加，最终降低铝箔的柔软度。因此，GC1和GC3铝箔光面向下时测试得到的柔软度均大于其暗面向下测试得到的柔软度。不同厂家铝箔表面粗糙度的测试结果表明，不同铝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范围内。因此，对于不同铝箔而言，固定采用光面或者暗面进行柔软度测试时，其表面粗糙度对测试结果的影响基本是一致的。

表2 国产铝箔GC1和GC3的表面粗糙度及其柔软度测试值

2.2.2 织构比例对铝箔柔软度的影响

对以上40 μm厚的不同厂家和不同成品退火后的铝箔样品的织构进行分析，得到Cube和Copper织构比例与铝箔柔软度的关系，如图4所示。可以看到，随着铝箔中立方织构比例的增加，铝箔的柔软度增加；与此同时，随着Copper织构的增加，铝箔的柔软度减小。

图4 铝箔柔软度与铝箔中Cube、Copper织构比例的关系曲线

在柔软度测试过程中，铝箔的弹性变形阶段可以用以下公式表示，即

(3)

(4)

(5)

式中：

E—弹性模量；

I—惯性矩；

ω—下压深度；

l—狭缝宽度；

b—铝箔的宽度；

h—铝箔的厚度。

由公式(5)可知，在弹性变形过程中，柔软度主要与铝箔的尺寸和铝箔本身的弹性模量有关。这也正是图3中厚度30 μm的JK1铝箔柔软度高于其他厚度40 μm的铝箔，而厚度50 μm的GC4铝箔柔软度明显偏低的主要原因。一般认为，弹性模量是组织不敏感的参数，但相关研究表明[9-10]，对于立方织构的金属或合金而言，其不同晶向上的弹性模量是不同的。通常，<111>晶向的弹性模量E111最大，而<100>晶向的弹性模量E100最小，其他晶向的介于二者之间。根据文献[9-11]，计算得到六种典型织构垂直于轧面方向的弹性模量，如表3所示。可以看到，在垂直于轧面方向上，Cube织构的弹性模量最小，只有62.735 GPa，R织构的弹性模量为69.359 GPa，而Brass、S、Copper、Goss织构的弹性模量均为71.726 GPa。因此，随着基体中Cube织构比例的增加，铝箔厚度方向的弹性模量降低，进而改善了铝箔的柔软度，而copper织构则起到相反的作用。

表3 常见织构对应的垂直轧面方向的弹性模量

2.2.3 晶粒尺寸对铝箔柔软度的影响

图5为GC5硬态铝箔经过不同成品退火制度后的晶粒尺寸。可以看到，随着成品退火温度和升温速率的增加，铝箔的晶粒尺寸逐渐增加。当成品退火制度为220 ℃保温16 h时，其晶粒尺寸只有14.7 μm；而当采用到温放样品(K390)在390 ℃保温16 h后，其晶粒尺寸长大到21.2 μm。因此，通过不同温度的成品退火处理，可以获得不同晶粒尺寸的铝箔。

图5 铝箔晶粒尺寸与成品退火制度的关系曲线

铝箔柔软度与铝箔晶粒尺寸的关系如图6所示。可以看到，随着铝箔晶粒尺寸的增加，铝箔的柔软度不断提高。当晶粒尺寸为14.7 μm时，铝箔的柔软度为2.5 N-1，而当晶粒尺寸增大至21.2 μm时，其柔软度值达到了3 N-1。

图6 铝箔晶粒尺寸对铝箔屈服强度、柔软度的影响规律

根据图1中柔软度测试原理的分析可知，在铝箔柔软度测试过程中，铝箔最终会发生塑性变形。因此，随着铝箔本身屈服强度的增加，探刀受到的铝箔变形抗力会逐渐增加，最终导致柔软度减小。根据Hall-Petch关系式，即

σy=σ0+kd-1/2

(6)

式中：

σy—材料的屈服强度；

d—晶粒尺寸；

σ0、k—常数。

随着晶粒尺寸d长大，材料的屈服强度σy逐渐降低。因此，随着铝箔晶粒尺寸的逐渐增加，其屈服强度逐渐降低，具体结果如图6所示，最终导致了铝箔柔软度不断提高。

另外，H18态的GC5样品测试结果表明其屈服强度达到141.2 N/mm2，而柔软度只有1.35 N-1，远小于退火后的铝箔的。通常而言，H18状态铝箔的组织为冷轧组织，晶粒尺寸更加细小，同时存在高密度的位错，因此其屈服强度更高，相应地，导致了铝箔柔软度明显降低。

综合以上结果，可以推测，除了晶粒尺寸外，影响铝箔屈服强度的其他因素如位错、析出相、固溶原子等，均可能会影响到铝箔的柔软度，并随着铝箔屈服强度的增加，铝箔的柔软度逐渐降低。

3 结 论

1)开发了适用于铝箔柔软度的测试方法，将铝箔在下压8 mm深度过程中产生的最大阻力的倒数定义为铝箔的柔软度，通过该方法成功表征了不同厂家生产的铝箔之间的柔软度差异。

2)铝箔的柔软度主要取决于变形过程中铝箔本身的变形抗力以及其表面产生的摩擦力。在柔软度测试过程中，铝箔首先发生弹性变形，此时柔软度与铝箔本身的弹性模量有关，随后发生塑性变形，此时主要与铝箔的屈服强度有关。

3)研究结果表明，降低铝箔表面粗糙度，可以减小摩擦阻力，进而提高铝箔的柔软度；随着铝箔中立方织构比例的增加，材料的弹性模量减小，铝箔的柔软度逐渐增加；随着铝箔晶粒尺寸的增加，其屈服强度降低，铝箔的柔软度逐渐增加。因此，提高立方织构比例，增加晶粒尺寸是改善铝箔柔软度的有效措施。