塑膠與鋁合金的搭配（三）- 航太產品
熱衝擊斷裂
一般來說，塑膠的耐溫程度可藉由物性表得知，例如在低溫狀態下可保持原有基礎物性程度下，最低可達到多少溫度，而在高溫的狀態中，亦是如此，每一種材料都有它使用的範圍溫度，不盡相同，有的在低溫的表現特別好，有的則是在高溫當中，所承受的溫度較高，但是在耐溫的範圍中，一般都是指緩慢的達到此一溫度，並不是瞬間就到達此溫度，若是在極短的時間下就從一個溫度變化到另一個差距相當大的溫度，多數材料都無法符合這樣的條件，但是在此，要討論說明的並不是極短時間的溫度變化造成的影響，而是反覆的在兩種溫度之間來回變化所造成的衝擊影響，多數使用在航太的產品會遇到這樣的溫度衝擊，反覆的在低溫與高溫的環境當中來回變化，一般這個低溫與高溫都是在該材料所能承受的範圍當中，但是面臨持續及反覆的溫度衝擊下，這個衝擊影響極有可能造成產品的熱衝擊斷裂。
何謂熱衝擊斷裂
熱衝擊斷裂是指產品在周圍溫度的急速“低溫高溫反復”中發生斷裂的一種現象。乍一看之下好像產品似乎並未承受多少由外在力及內應力，怎麼會斷裂呢？不過最大的問題就是出在這裏。如下表所示，熱衝擊斷裂容易出現在以下產品中。
- 與金屬之嵌件
- 有螺絲鎖付處
- 不同材質的對嵌件
- 多種材質壓接件
共同點是這種情況容易發生在“由物性相異的兩個部件結合而成的產品”上。不過，單一產品在壁厚明顯不均時也容易會出現熱衝擊斷裂，雖說這種情況的佔比較低。
熱衝擊斷裂也有人將其稱為thermal shock fracture或冷熱迴圈斷裂，其實都是指同一件事。
熱衝擊斷裂的機理——熱應力
上面提到熱衝擊斷裂是產品在周圍溫度的急速“低溫⇔高溫反復”中發生斷裂的一種現象，下面就來討論在溫度變化過程中究竟發生了哪些情況。
首先以圖2所示的金屬嵌件為例來說明。如果該金屬嵌件是將金屬固定在模具中且周圍被樹脂包圍起來的一種注射成型品，則在射出成型的過程中，冷卻過程中該產品中就已發生了應力。換言之，塑膠“想要”按其成型收縮率收縮，而金屬卻“不讓”其收縮。雖說是大致的估計，但如果成型完成後的塑膠收縮率為X（％），則在塑膠的圓周方向上也會出現X（％）的拉伸應變，而且隨著溫度的變化，塑膠就會因線性膨脹而產生伸（高溫側）或縮（低溫側），於是圓周方向上的應變也會隨之變化。
例如，
• T低：低溫側溫度
• T高：高溫側溫度
• CTE低：線性膨脹係數（低溫←常溫）
• CTE高：線性膨脹係數（常溫→高溫）
那麼
ε 低溫＝X +（23-T低）×CTE低×100
ε 高溫＝X +（23-T高）×CTE高×100
這樣的應變就會分別出現在低溫側和高溫側。由於（23－T）的值在低溫側為正，在高溫側為負，因此在低溫側塑膠就會進一步貼緊金屬嵌件，從而使塑膠中發生的圓周方向的應變增大，內部應力會上升，若是面臨急速的溫度變化，那在塑膠產品當中的內應力也會急劇的上升，而在高溫側，由於樹脂的線性膨脹量遠遠大於金屬，因此應變會下降並出現內應力有下降緩和的跡象。也就是說，隨著周圍溫度的急速“低溫高溫反復”，塑膠中當然也會出現應變的強弱反復反應。應變的強弱變化自然就會引起應力（熱應力）強弱的反復衝擊，而這種的材料疲勞損傷衰退（與這種熱應力的脈動衝擊相伴而產生）和長期的蠕變損傷（因短時間保持在高溫及低溫的環境中所致），兩種不同程度的損傷所引起的斷裂便可稱為熱衝擊斷裂。
不過，由於脈動衝擊的熱應力變化並不是始終保持固定，而是隨著每次的“低溫與高溫反復的溫度變化”，初期強分子鍵會被強力拉伸應變，分子鍵彼此間慢慢的排列與組合，會在應力緩和的作用下逐漸降低（疲軟）；斷裂大多發生在不均勻的區域或射出成型較大的變異點區域（如產品的融膠會合區域、厚度差異較大的區域、靠近澆口區域的結構處等等）以及作為力學的特異點，如尖銳棱角處（sharp corner）、力學受力彎折處等原因，因此很難預測熱衝擊斷裂前的使用壽命有多長，也就是在低溫高溫反復多少次後會發生斷裂。
延長熱衝擊斷裂壽命
為了延長熱衝擊斷裂壽命，很重要的一點是在設計時在應力集中和壁厚不均就要因應設計變更以減少上述發生應變（發生應力與殘留應力）。其次，必須優化模具的開發細節，從材料的選擇、模具冷卻的設計、流道的設計、澆口位置與形狀的設計、流長比的合理設計、共模與否、是否使用相關的輔助成型以及成型條件的最適化，再到量產前後的細節與準備，都可以最大程度的降低產品在面臨低溫與高溫的反復溫度變化中所造成的應力衝擊，使塑膠產品可大幅延長其使用週期。與此同時，在壁厚相同的情況下，一般來說，與大尺寸產品相比，小尺寸產品的熱衝擊斷裂的使用壽命會更長。
