深冷工况下铝塑膜拉伸性能及抗疲劳性能的探讨

王雨杭 田富竞 肖楚璠 郑永 谢绍祥 黄河 张亚新

摘 要 本文研究了室温与-196℃下（基于某产品的防潮层），江苏与瑞典两种不同型号铝塑膜的拉伸性能和抗疲劳性能。试验结果表明，在深冷工况下，江苏铝塑膜的性能作为防潮材料的可靠性优于瑞典铝塑膜的性能。江苏铝塑膜室温下的拉伸性能均优于瑞典铝塑膜；瑞典铝塑膜-196℃下的拉伸性能均优于江苏铝塑膜。江苏铝塑膜与瑞典铝塑膜在-196℃经过5000次曲挠试验后，表面均出现微观缺陷，但曲挠疲劳试验后江苏铝塑膜的拉伸性能基本保持不变，瑞典铝塑膜的拉伸性能略有上升，说明瑞典铝塑膜抗疲劳性能优于江苏铝塑膜。

关键词 深冷工况；铝塑膜；疲劳试验；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，硕士，助理工程师。研究方向为航空复合材料。E-mail：1012737696@qq.com

1 引言

在许多航空器试验的深冷工况中，需要为绝热产品铺设防潮层，以防止在施工过程中环境中的水气进入产品影响其绝热效果。铝塑膜在室温工况下常用做尖端产品的保护材料，例如3C（计算机类、通信类、消费类电子产品） 、光伏背板等^［1-3］，但很少有将其应用到深冷工况的案例，本文着重考察了在-196℃下塑膜产品的拉伸与抗曲挠疲劳性能，探究其在深冷工况作为防潮材料的可靠性。

2 简介

铝塑复合膜（简称“铝塑膜”）是由铝箔、多种塑料膜和粘合剂（包括粘接性树脂）组成的复合软包装材料，其具有质量轻、强度高、阻氧、防潮、以及对腐蚀性的酸、碱、盐或有机溶剂等液态化学物质具有较高稳定性等优点，因此被广泛应用于聚合物锂电池软包材料、食品包装的防潮、医疗类尖端产品的包装等领域^［4-7］。

本文选用了江苏铝塑膜与瑞典铝塑膜两种型号的产品进行对比试验，两种铝塑膜试样的结构、性能参数如表1所示。

3 试验部分

3.1 室温下两种铝塑膜拉伸试验性能对比

按照GB/T 1040.3-2006 《塑料 拉伸性能的测定第3部分：薄膜和薄片的试验条件》对两种厂家的铝塑膜进行了室温下的拉伸性能测试，每组测试5个试样，试样类型为GB/T 1040.3-2006中的2型试样，两种铝塑膜试样尺寸如表2所示。试验仪器为JYW-92 Z010高低温电子万能材料试验机，试验速度：50mm/min。

江苏铝塑膜、瑞典铝塑膜室温下不同裁切方向的拉伸测试结果如图1所示。其中，江苏铝塑膜沿X轴裁样方向的一个试样，拉伸试验时在标距外发生断裂，按照标准其测试结果应舍弃，其余试样测试全过程均符合GB/T 1040.3-2006，结果可靠。

由图1可知，江苏铝塑膜、瑞典铝塑膜X轴方向与Y轴方向两种裁样方式制备的试样室温下拉伸性能无明显差别，说明江苏铝塑膜与瑞典铝塑膜试样室温下的抗拉强度、拉伸模量与断裂伸长率与X轴方向或Y轴方向两种裁样方式无关，两种厂家的铝塑膜产品在长×宽的平面是均质性的。对比图1中江苏铝塑膜和瑞典铝塑膜室温下的拉伸性能，其中江苏铝塑膜室温下的拉伸强度、拉伸模量均大于瑞典铝塑膜，这是因为江苏铝塑膜的厚度大于瑞典铝塑膜，其8079-O系铝的铝箔厚度较瑞典铝塑膜1200-O系铝的铝箔厚度大，LDPE层的厚度几乎相同，随着铝箔厚度增加，材料的抗拉强度与拉伸模量增加；瑞典铝塑膜室温下的断裂伸长率略高于江苏铝塑膜，说明瑞典铝塑膜室温下相比江苏铝塑膜具有有更好的塑性。

3.2 -196℃（液氮氛围）下两种铝塑膜拉伸试验性能对比

同样按照GB/T 1040.3-2006对两种厂家的铝塑膜进行了室温下的拉伸性能测试，每组测试5个试样，由于两种厂家铝塑膜的拉伸强度、拉伸模量及断裂伸长率与沿X轴或Y轴两种裁切方式无关，因此只对样品进行X轴方向裁样，测试条件与第2.1节室温下两种铝塑膜性能对比测试的条件相同。江苏铝塑膜、瑞典铝塑-196℃下拉伸测试结果如图2所示，试样测试全过程均符合GB/T 1040.3-2006，结果可靠。

由图2可知，-196℃下瑞典铝塑膜的抗拉强度、拉伸模量均高于江苏铝塑膜，而瑞典铝塑膜的厚度小于江苏铝塑膜，两种厂家铝塑膜几乎不发生弹塑性变形，因此在-196℃下，瑞典铝塑膜相比与江苏铝塑膜具有更优异的抗拉伸性能。对比图2与图1中数据可知，当试验温度从室温降至-196℃，江苏铝塑膜与瑞典铝塑膜的抗拉强度、拉伸模量均增大，而断裂伸长率急剧减小，江苏铝塑膜的断裂伸长率减小了30倍以上，瑞典铝塑膜的断裂伸长率减小了40倍以上，说明两种厂家的铝塑膜在-196℃下被拉断前均只發生了微小形变，两种厂家的铝塑膜材料在-196℃下几乎不发生弹塑性变形。-196℃下两种厂家的铝塑膜产品抗拉强度、拉伸模量升高，这是因为铝箔材料的屈服强度理论上指的是材料晶体位错开始时的临界切应力，而低温下铝箔晶体错位活动减弱，屈服强度提高^［8］，因此两种厂家的铝塑膜产品抗拉强度、拉伸模量升高。

3.3 -196℃（液氮氛围）下两种铝塑膜曲挠疲劳试验对比

与中国科学院理化技术研究所合作设计了-196℃下铝塑膜的曲挠疲劳试验，试验仪器为安装盛液氮容器的JYW-92 Z010高低温电子万能材料试验机，保证铝塑膜试样曲挠疲劳试验过程中完全浸没于液氮。两个厂家的铝塑膜各测试10个试样，试验仪器同时夹持同一厂家的10个铝塑膜试样进行试验，江苏铝塑膜尺寸为：长×宽×厚=（300±1） mm×（100±1）mm×（100±5）μm， 瑞典铝塑膜尺寸为：长×宽×厚=（300±1） mm×（100±1）mm×（80±5）μm，曲挠位移100mm，频率0.16Hz，每组曲挠疲劳循环5000次。试验结束后，目测两厂家铝塑膜试样表面无发白、裂纹等缺陷产生，用扫描电镜（SEM）对试验前后江苏铝塑膜与瑞典铝塑膜的表面形貌进行观测，两种厂家铝塑膜试样曲挠疲劳前后SEM图如图3所示。

由图3可知，江苏铝塑膜曲挠疲劳试验前后试样表面出现多处银纹，这是因为铝塑膜试样中的LDPE膜在张应力的作用下，材料的薄弱部位出现应力集中而产生的局部塑性形变和取向，在其表面垂直于应力方向上出现的细微“凹槽”或“裂纹”的现象^［9］。瑞典铝塑膜曲挠疲劳试验前后试样表面未出现银纹，但其表面出现了直径大小在10μm～20μm左右破损，其LDPE膜在曲挠疲劳试验中发生破孔。因此，两个厂家的铝塑膜产品在-196℃的曲挠疲劳试验后，其表面均存在微观缺陷。

同样按照GB/T 1040.3-2006对两种厂家-196℃曲挠疲劳试验后的铝塑膜裁样进行室温下的拉伸性能测试，每组测试5个试样，测试条件与第2.1节室温下两种厂家铝塑膜性能对比测试的条件相同，曲挠疲劳试验前后试样拉伸性能对比结果如图4所示，试样测试全过程均符合GB/T 1040.3-2006，结果可靠。

由图4可知，-196℃曲挠疲劳试验前后，江苏铝塑膜试样的抗拉强度、拉伸模量及断裂伸长率均无明显变化，说明江苏铝塑膜样品经过-196℃的曲挠疲劳循环，虽微观表面出现银纹，但其微观上出现的缺陷不会影响材料的拉伸性能。瑞典铝塑膜经-196℃曲挠疲劳试验后，其抗拉强度与拉伸模量略有上升，断裂伸长率无明显变化，这是因为瑞典铝塑膜在5000次曲挠疲劳过程中，其铝箔的晶格重新取向而发生重排，形成了更稳定的结构^［10］。瑞典铝塑膜样品经过-196℃的曲挠疲劳循环，虽微观表面LDPE膜出现破孔，但微观上出现的缺陷不会影响材料的拉伸性能。而两种型号的铝塑膜经5000次曲挠后，江苏铝塑膜的拉伸性能基本保持不变，而瑞典铝塑膜的拉伸性能略有上升，说明瑞典铝塑膜相比江苏铝塑膜具有更优异的抗疲劳性。

4 结语

本文研究得出了以下结论：

（1）江苏铝塑膜的铝箔厚度大于瑞典铝塑膜，其室温下的拉伸性能优于瑞典铝塑膜；当从室温降至-196℃，江苏铝塑膜与瑞典铝塑膜的断裂伸长率均急剧下降，说明两种厂家的铝塑膜在-196℃下几乎不发生弹塑性变形；由于瑞典铝塑膜的铝箔材料具有更优异的耐低温特性，其抗拉强度与拉伸模量在-196℃均优于江苏铝塑膜。

（2）江苏铝塑膜与瑞典铝塑膜在-196℃经过5000次曲挠后，表面均出现微观缺陷，但曲挠疲劳试验后江苏铝塑膜的拉伸性能基本保持不变，瑞典铝塑膜的拉伸性能略有上升，说明两种型号铝塑膜在-196℃曲挠疲劳后仍具有良好的拉伸性能，其中瑞典铝塑膜抗疲劳性能优于江苏铝塑膜。

综上所述，作为液氮氛围下使用的防潮材料，瑞典铝塑膜与江苏铝塑膜均具有较强拉伸强度与抗曲挠疲劳性能，而两款产品的断裂伸长率大幅下降；综合比较，瑞典铝塑膜的拉伸与抗曲挠疲劳性能优于江苏铝塑膜。

参 考 文 献

［1］冯慧杰，张学建，马亚男．锂离子电池铝塑复合膜发展趋势综述［J］．信息记录材料，2019，20（8）：9-12.

［2］张学建，张艳，胡亞召．聚合物锂离子电池软包铝塑膜的研究进展［J］．Information Recording Materials，2013，14（6）：42-48.

［3］马亚男，王俊环．铝箔表面预处理对铝塑膜热封性能及耐湿热性能的影响［J］．信息记录材料，2018，19（7）：219-223.

［4］刘亚明，王艳飞，黄磊，等．锂离子电池铝塑膜腐蚀的预测方法［J］．电池，2017，47（1）：27-30.

［5］章结兵，石亚丽，韩梓涛．软包锂离子电池封装铝塑膜材料保护机理分析及测试方法［J］．塑料工业，2018，46（11）：5-8.

［6］崔海星．软包锂电池铝塑膜专利技术分析［J］．储能科学与技术，2019，8（1）：209-214.

［7］任宁，孙延先，吴耀辉，等．软包装锂离子电池铝塑膜的腐蚀行为［J］有色金属工程，2015，5（5）：29-32.

［8］李春雷．热处理工艺中温度及应力与金属材料的关系探讨［J］．科学技术，2018（3）：110-112.

［9］熊芬，管蓉，鲁德平，等．聚合物的银纹研究进展［J］．高分子通报，2006（1）：44-52.

［10］王子瑛．分子重排反应中的吕·查德里原理［J］．泰安师专学报，2001，23（6）：69-71.