注射成型和注射壓縮成型透明件的光學性能對比與分析

陳宇宏， 袁 淵， 劉小艷， 郭丹丹， 白一峰

(1.北京航空材料研究院，北京100095;2.北京航空航天大學，北京100191)

注射成型是一種傳統的成型方法，成型時原料首先在加熱料筒中均勻塑化，而后由柱塞或移動螺桿推擠到已經完全閉合的模具型腔中冷卻后定型。注射壓縮成型是近些年來才開始得以發展的成型工藝，其將注射和壓縮兩種成型方式結合在一起，即成型過程中模具首次合模，但動模和定模不完全閉合而保留一定的壓縮間隙，隨后向型腔內注射熔體，熔體注射完畢后，模具再完全閉合，壓實型腔中的熔體［1］。

注射壓縮成型剛開始多用于光學透鏡、激光唱片等小尺寸高精度光學制品領域。從上世紀末起，注射壓縮成型方法開始被用于制造航空和汽車領域的透明件。在航空領域，1996年美國開始實施下一代透明件計劃［2］，其重點是發展包括注射壓縮成型技術在內的透明件低壓成型技術;在汽車領域［3］，2006年6月美國國家公路運輸安全管理局批準了注射壓縮成型聚碳酸酯車窗可用于汽車。目前，注射壓縮成型聚碳酸酯車窗已在德國奔馳公司的Smart、美國通用汽車公司的Chevrolet Volt和日本本田公司的Honda Civic車型上得到使用。

國內的注射壓縮成型依然處在起步階段，大尺寸透明件注射壓縮成型技術更是少見報道。與普通注塑件不同，透明件成型的技術難點體現在光學性能方面，其中關鍵技術是如何成型出高透光率、低雙折射、低光學畸變、低角偏差透明件［4，5］。本研究以一種典型的雙曲面透明件為例，比較了采用注射成型和注射壓縮成型兩種方法對透明件光學性能的影響，分析了產生光學性能差距的原因，為注射壓縮成型在大尺寸透明件領域的應用提供了依據。

1 實驗過程

1.1 主要原料

透明件注射用的原料采用自行改性的聚碳酸酯。

1.2 透明件的注射成型及注射壓縮成型

透明件的注射成型和注射壓縮成型模具系自行設計和加工。注射前聚碳酸酯粒料先放進烘箱進行干燥處理，干燥溫度為100～115℃，時間為4～8h，然后在注射機上成型，模具溫度為80～120℃，注射壓力為30～130MPa，注射溫度為280～320℃。

1.3 性能測試

透光率和霧度采用WGT-S透光率/霧度測定儀進行測試;表面粗糙度采用SRM-1型表面粗糙度測量儀進行測試;雙折射采用WYL-4應力雙折射儀進行測試;殘余應力分布采用偏振光法進行分析;光學畸變按照HB7398.1—1996《透明件光學畸變試驗方法》進行測試，測試距離為1.5m;角偏差按照гост-10667-90進行測試，測試距離為1m。

2 結果與討論

2.1 表觀光學質量

圖1是注射成型和注射壓縮成型出的聚碳酸酯透明件樣件，兩類透明件樣件均具有良好的表觀光學質量，表面無凹陷、銀絲、流紋和熔接痕等，達到了光學鏡面水平;內部無缺陷、雜質和氣泡等。

2.2 透光率和霧度

圖2為注射成型和注射壓縮成型透明件在可見光波段內的透光率，可見對于不同波段的可見光，兩者的透光率基本一致。

圖1 注射成型和注射壓縮成型透明件樣件 (a)注射成型;(b)注射壓縮成型Fig.1 Injection molded (a)and injection compression molded(b)glazing samples

圖2 注射成型和注射壓縮成型透明件不同波段的透光率Fig.2 Transmittance of injection molded and injection compression molded transparencies

表1列出了積分透光率和霧度，可以看出兩類透明件的透光率和霧度基本一致。所謂透光率，是指透過試樣的光能量對入射光能量的百分比，而霧度則是指透過試樣光能量中散射光所占的百分比［6］。一般來說，除了與材料的特性有關外，透光率和霧度主要與試樣的表面粗糙度有關系。本研究中注射成型和注射壓縮成型透明件的材料均為改性聚碳酸酯，由表1可見兩類透明件的表面粗糙度相同，均在5～10nm之間，因此，兩類透明件的透光率和霧度均無差異。

2.3 雙折射

圖2是注射成型和注射壓縮成型透明件的雙折射測試結果。測試時以澆口為起點，在與透明件直邊的垂直方向上分別取不同距離的點進行測試。兩類透明件的測試點位置是一致的。由圖3可以看出，注射成型透明件的雙折射值范圍為40～525 nm，其分布范圍很寬;而注射壓縮成型透明件的雙折射值范圍為18～95 nm，分布范圍較窄;對于透明件的同一位置，注射壓縮成型透明件的雙折射值遠低于注射成型透明件;后者的雙折射值最大值只有前者的17%。總之，與注射成型透明件相比，注射壓縮成型透明件的雙折射值小而且均勻。

表1 注射成型和注射壓縮成型透明件的透光率、霧度和表面粗糙度Table 1 Transmittance，haze and surface roughness of injection molded and injection compression molded transparencies

所謂雙折射，是指光進入各向異性的介質后分解成相互垂直的兩個光波的現象，可以定義為折射率在平行和垂直于取向方向的差值。即：

圖3 注射成型和注射壓縮成型透明件在距離澆口不同位置處的雙折射值Fig.3 Birefringence of injection molded and injection compression molded transparencies

式(1)中Δn為雙折射值，n∥和n⊥分別是平行和垂直于取向方向的折射率。雙折射反映了制品光學性能的不均勻性(各向異性)。根據光彈性理論，雙折射Δn與透明材料本身和制品的殘余應力有關，具體可以表示為［7］：

式(2)中的C為材料的應力光學系數，σ為產品的殘余應力。對于應力光學系數，可以表示為：

式(2)中ε0是真空介電常數，ˉn是平均折射率，Δα是分子極化率差值，T是絕對溫度。在一定的溫度下，C是一種只與材料本身有關的常數。

本研究用注射成型和注射壓縮成型透明件材料均為改性聚碳酸酯，因此應力光學系數是相同的，兩者雙折射的不同顯然只與殘余應力有關。

采用偏振光法定性分析注射成型和注射壓縮成型透明件的殘余應力。圖4是白光做光源時，平行平面偏振光場下透明件的偏振光照片，此時兩個偏振片的偏振軸互相平行，如果中間沒有放置樣品或樣品內應力為零，則在起偏鏡后觀察到的光場為明場，如果中間放置樣品存在內應力，則同樣會出現彩色條紋。由圖4可見注射成型透明件存在較大范圍的殘余應力，表現為以澆口為中心，出現大量彩色環，代表了一系列不同應力的等值線(等應力環)，而注射壓縮成型透明件的彩色區域面積很小，大部分區域的顏色與背景色接近，說明內應力很低。總體上說，注射成型透明件的殘余應力大而且分布范圍寬;注射壓縮成型透明件的殘余應力小而且分布范圍窄。因此造成了注射成型透明件的雙折射大而不均，注射壓縮成型透明件的雙折射值小且均勻。

圖4 平行平面偏振光場下透明件的偏振光照片 (a)注射成型;(b)注射壓縮成型Fig.4 Photographs of injection molded (a)and injection compression molded (b)glazing samples under parallel plane polarized light

注射壓縮成型透明件具有更低殘余應力的原因，與其成型特點密切相關。對注射成型和注射壓縮成型制品而言，殘余應力是指制品出模后未完全松弛而殘留在制品內部的各種應力之和，主要包括取向應力和熱應力。取向應力源于注塑成型的充填和保壓過程中，塑料熔體在模腔中進行非等溫流動形成的剪切應力和拉伸應力，使得大分子鏈伸展，沿流動方向產生形變，在冷卻過程中若大分子來不及松弛就被“凍結”在制品中，即形成取向應力;熱應力主要來源于冷卻過程，制品在快速冷卻過程中內部溫度分布不均勻，冷卻層由模腔表面向內部逐漸推進，制品中各點在不同時間從較高的溫度降到玻璃化溫度以下，所經歷的收縮變形不一致，從而產生應力。

取向應力主要與充填和保壓過程有關，主要影響參數包括注射壓力、保壓壓力、熔體溫度和模具溫度等。由表2可見，兩類透明件成型時的熔體溫度和模具溫度相近，但成型壓力差別很大。注射成型的注射填充和保壓都是在模具完全閉合的情況下進行的，而注射壓縮成型的熔體注射是在模腔未完全閉合情況下進行的，如圖5a所示，型芯和型腔之間保持一定的間隙，因此流動阻力小，所需的注塑壓力低;當注射量達到要求時，通過專門壓縮裝置直接壓縮模腔進行合模，熔體收縮是通過整個模腔直接壓縮熔體來補償的，而不是通過螺桿傳遞到澆口處的局部壓力實現補縮保壓，因此需要的壓力低而且均勻，壓縮完畢即產品定型，如圖5b。低注射壓力和低保壓壓力導致注射壓縮成型時熔體在模腔中受到的剪切應力和拉伸應力小，大分子取向程度低，取向應力也就低。圖4中的等應力環，實際上是熔體以澆口為中心沿圓周取向的結果，該圖說明了注射壓縮成型透明件的取向應力小而均勻。

熱應力主要與冷卻過程有關，主要影響參數包括熔體溫度、模具溫度和冷卻時間等。由表2可見，注射成型和注射壓縮成型的冷卻過程主要工藝參數基本一致，因此兩類透明件的殘余熱應力應該接近。

圖5 透明件注射壓縮成型原理示意圖 (a)未完全合模下的熔體填充;(b)壓縮完畢Fig.5 Sketch of injection compression molding during melt filling (a)and compression end(b)

表2 注射成型和注射壓縮成型的冷卻過程主要工藝參數Table 2 Key parameters for injection molding(IM)and injection compression molding(ICM)

綜上所述，兩類透明件殘余應力的差別主要體現在取向應力方面。與注射成型透明件相比，注射壓力和保壓壓力低導致注射壓縮成型時熔體在模腔中受到的剪切應力和拉伸應力小，大分子取向程度低，從而取向應力低，因此注射壓縮成型透明件具有低且均勻的殘余應力，相應的光學雙折射值小而均勻。

2.4 光學畸變

光學畸變是高性能透明件的最重要光學性能指標之一，該指標的降低將會導致駕駛員觀察視野中的景物發生變形，對于飛機來說會使得目視瞄準精度下降，甚至產生機毀人亡的嚴重后果;對于航天和汽車等領域的透明件，光學畸變同樣是重要的光學指標。

圖6是注射成型和注射壓縮成型透明件光學畸變測試圖，除去邊緣效應外，注射成型透明件的光學畸變最大值為1/8，而注射壓縮成型透明件的光學畸變最大值為1/14，顯然注射壓縮成型透明件具有更低的光學畸變。

圖6 透明件光學畸變測試圖 (a)注射成型;(b)注射壓縮成型Fig.6 Optical distortion test of injection molded (a)and injection compression molded(b)transparencies

光學畸變是指透明件的不均勻性引起的光學角度偏差的變化率［8］，其中透明件的表面狀態和厚度是兩個最重要的影響因素［9］。

透明件表面狀態的影響，涉及表面光學質量和表面形狀。根據上述的目視檢查，兩類透明件樣件均具有良好的光學質量，表面無凹陷、銀絲、流紋和熔接痕等，達到了光學鏡面水平，因此排除了表觀光學質量的影響;但還涉及表面形狀的影響，事實上不均勻的殘余應力會導致透明件發生翹曲，改變透明件的表面形狀，從而引起光學畸變，注射壓縮成型透明件具有更低而均勻的殘余應力，因此有利于降低光學畸變。

厚度對光學畸變的影響更大，例如透明件局部變厚或變薄，會產生透鏡的放大或縮小效應，導致觀察到的景物發生變形。圖7顯示了注射成型和注射壓縮成型透明件的尺寸分布，對于注射成型透明件，厚度分布范圍為3.48～3.67mm，最大厚度與最小厚度差距為0.19mm;而對于注射壓縮成型透明件，厚度分布范圍為3.54～3.64mm，最大厚度與最小厚度差距為0.10mm。顯然注射壓縮成型透明件具有更均勻的厚度分布。

注射壓縮成型透明件具有更均勻的厚度分布，源于注射壓縮成型有利于均勻收縮，因為注射壓縮成型時的熔體收縮是整個模腔直接壓縮熔體來補償的(原理見圖5)，型腔的壓力分布均勻，使得產品的收縮均勻，因此厚度分布均勻;而注射成型時的熔體收縮則是通過保壓壓力促使熔融料從澆口處進入型腔而補償的，因此型腔內的壓力往往澆口處最大，分布不均勻，從而導致型腔各點的收縮率不一，最終產品厚度也就難以均勻分布。因此，其光學畸變值比注射壓縮成型透明件高。

圖7 透明件的厚度分布圖 (a)注射成型;(b)注射壓縮成型Fig.7 Thickness distribution of injection molded (a)and injection compression molded(b)transparencies

2.1.5 光學角偏差

光學角偏差是從真實目標(物體)來的光線與看到的目標(影像)之間的夾角。實測注射成型透明件的角偏差最大值為5'，而注射壓縮成型透明件的角偏差最大值為2'，注射壓縮成型透明件具有更低的角偏差。

光學角偏差是描述光線通過透明件后所引起的光線傳播方向變化的物理量［9，10］。透明件的厚度是最重要的影響因素，透明件兩個表面越平行，即各處的厚度一致性越好，光學角偏差值越小。由于注射壓縮成型過程的熔體收縮更均勻，透明件具有更均勻的厚度分布，因此具有更低的角偏差。

3 結論

(1)注射成型和注射壓縮成型透明件均具有良好的表觀光學質量，表面達到光學鏡面水平，內部無氣泡等缺陷。

(2)注射成型和注射壓縮成型透明件的透光率和霧度接近，源于兩者在材料和表面粗糙度上的一致。

(3)注射壓縮成型透明件的雙折射值更小而且均勻，其原因主要體現在取向應力方面。與注射成型透明件相比，注射壓力和保壓壓力低使得注射壓縮成型時熔體在模腔中受到的剪切應力和拉伸應力小，大分子取向程度低，從而取向應力低，因此雙折射值小而均勻。

(4)注射壓縮成型透明件具有更低的光學畸變，原因與其殘余應力和收縮特性有關。一方面注射壓縮成型透明件具有更小且均勻的殘余應力，從而抑制了翹曲變形;另一方面注射壓縮成型透明件具有更均勻的成型收縮率，從而保障了厚度的均勻。

(5)注射壓縮成型過程的熔體收縮更均勻，透明件具有更均勻的厚度分布，因此具有更低的角偏差。

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［8］中華人民共和國航空工業部部標準.HB 7398.1透明件光學畸變試驗方法［S］.北京：中國航空工業總公司，1996-09-13.

［9］航空工業部《航空透明件譯文集》編譯組.航空透明件譯文集［M］.北京：航空工業出版社：108-126.

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