注射成型工藝參數對CFRP力學性能的影響

梅建良，錢應平，王俊霄

(湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068)

樹脂基碳纖維復合材料廣泛應用于航空航天、電子、機械化工、汽車制造和運動器材等眾多領域[1]。目前國內外對碳纖維復合材料(Carbon fiber reinforced composite，CFRP)的研究主要集中在復合材料的制備方法[2-4]及其力學性能[5]上。與傳統的樹脂塑料相比，樹脂基纖維復合材料在注塑過程中的工藝優化[6-9]、質量保障、碳纖維排布對產品力學性能影響規律的研究不夠完善。本文以碳纖維復合材料為對象，研究成型工藝參數與力學性能之間的關系。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器設備

聚己二酰己二胺(PA66)，含3 mm短切碳纖維，碳纖維含量為30%；螺桿式注塑機，MA1200-370G；拉伸試驗機，UTM5105；掃描電子顯微鏡，SU8010。

1.2 正交試驗設計

采用正交試驗設計試驗組別，設置不同注塑成型工藝參數生產注塑樣品，樣品規格為100 mm×20 mm×5 mm。

優化注塑成型工藝參數旨在獲取更好的纖維取向程度，從而提高產品在纖維取向方向上的力學性能。因此，將定量衡量纖維取向程度的數值參數纖維取向張量[8]及力學性能指標拉伸強度、彎曲強度作為試驗指標最為合適。為反映成型工藝參數對纖維取向的影響，需建立試驗指標和試驗因子之間的關系。成型過程中熔體溫度、模具溫度、注射壓力及注射時間都能不同程度地影響塑件中的纖維取向。試驗因子及水平如表1所示。

表1 正交試驗因子及水平

1.3 正交試驗方案及數據

根據試驗因子及水平表，在表1中選取4個因素作為試驗因子，每個試驗因子對應5個因素水平，并按照表2設置的參數做模擬試驗，在Moldflow中的工藝設置中，依次輸入實驗1—20的工藝參數，分別分析求解，得到纖維取向張量指標(表2)。

表2 纖維取向張量

續表2

圖1是4個試驗因子在5個不同水平下纖維取向張量結果的極差關系圖。從中可以明顯地得出各參數對纖維取向張量的影響，即其影響程度依次為：注射壓力>模具溫度>熔體溫度>注射時間。

A-熔體溫度;B-模具溫度;C-注射壓力;D-注射時間圖 1 各因素結果均值及極差

2 結果與討論

2.1 熔體溫度對力學性能及碳纖維分布的影響

熔體溫度從280 ℃變化到320 ℃時，試樣拉伸強度的試驗曲線如圖2所示。

圖2 熔體溫度對試樣拉伸強度的影響

由圖2可知，熔體溫度310 ℃時，試樣拉伸強度達到最大值58.37 MPa，此時試樣彎曲強度為136.56 MPa，試樣彎曲模量為6286.85 MPa。熔體溫度增大，拉伸強度先增加后減小，其原因是，隨著熔體溫度增大，在其他工藝參數相同的條件下，物料粘度降低，充模時壓力損失降低，熔體更容易充模，同時也會使保壓時間延長，制件密實度增加[10]，碳纖維隨熔體流動取向度更高，試樣的拉伸強度有一定程度的增加。熔體溫度再升高時，熔體充模時的剪切作用減弱，取向效果有一定程度的減弱[11]，此時碳纖維的取向受到剪切作用影響變小，分布相對混亂，引起試樣拉伸強度一定程度的降低。

圖3為熔體溫度290 ℃和310 ℃下試樣斷面部分碳纖維取向。其中，亮色柱狀物為碳纖維，暗孔處則是由碳纖維拔出或斷裂形成。圖3a中斷面碳纖維取向雜亂無章，且垂直斷面方向碳纖維非常稀少，纖維不但不能起到增強作用，在拉伸應力下還會導致應力集中，不利于拉伸強度的提升，采用纖維取向張量指標定量描述纖維取向程度數值為0.6954；圖3b中碳纖維分布相對規整，纖維取向張量為0.7649，沿著拉伸方向碳纖維受到拉伸應力，復合材料會表現出更高的拉伸強度。

圖3 不同熔體溫度下試樣斷面碳纖維取向

2.2 模具溫度對力學性能及碳纖維分布的影響

模具溫度從90 ℃變化到130 ℃時，試樣拉伸強度試驗曲線如圖4所示。

圖4 模具溫度對試樣拉伸強度的影響

由圖4可知，模具溫度110 ℃時，試樣拉伸強度最大，可達61.38 MPa。此時彎曲強度為132.27 MPa，彎曲模量為7262.65 MPa。當模具溫度提高時，由于冷卻時間延長，使材料結晶度變大，試樣的力學性能得到提升[12]。隨著模具溫度進一步提高，試樣力學性能反而下降，原因與熔體溫度過高類似。

圖5 不同模具溫度下試樣斷面碳纖維取向

圖5a為模具溫度90 ℃下試樣斷面在掃描電鏡下觀察的碳纖維取向。由于模具溫度不夠，致使熔體流速過慢，碳纖維分布相對混亂，不利于熔體充模，產生較大孔洞缺陷，降低了試樣的力學性能，此時纖維取向張量為0.6915。圖5b為模具溫度110 ℃下試樣斷面在掃描電鏡下觀察到的碳纖維取向，纖維取向張量為0.7396，其中斷面碳纖維取向規整，且大部分垂直于斷面方向，斷裂過程中纖維破壞所吸收的能量越高，復合材料表現出來的拉伸強度就越大，能有效提升試樣拉伸強度。

2.3 注射壓力對力學性能及碳纖維分布的影響

注射壓力從105 MPa變化到125 MPa時，試樣拉伸強度試驗曲線如圖6所示。由圖6可知，注射壓力115 MPa時，試樣拉伸強度達到最大值64.45 MPa；此時彎曲強度為141.23 MPa，彎曲模量7315.45 MPa。注射壓力增大，試樣拉伸強度先增大，后呈波紋狀，無大幅度變化。其原因是，注射壓力越高，熔體流動速率越快，碳纖維隨熔體流動更規律，取向更一致，提高了制件的力學性能。隨著注射壓力增大，纖維取向程度增大，與短玻纖增強聚丙烯不同注射壓力下的斷面形態實驗結果相接近。

圖6 注射壓力對試樣拉伸強度的影響

圖7a為注射壓力105 MPa下試樣斷面在掃描電鏡下碳纖維取向，圖中碳纖維分布相對混亂。當纖維隨機取向時，其起到的增強作用會大大削弱，在拉伸應力作用下，導致應力集中，而應力集中點過多，則促使復合材料強度降低，此時碳纖維取向張量為0.6655。圖7b為注射壓力115 MPa下試樣斷面在掃描電鏡下的碳纖維取向，比其他斷面碳纖維取向更加一致，碳纖維取向張量達到0.8396。當纖維平行排列時，應力方向與纖維方向一致，碳纖維將受到基體產生的剪切應力和由該剪切應力引起的纖維軸向拉伸應力[14]，復合材料表現出更高的拉伸強度。

圖7 不同注射壓力下試樣斷面碳纖維取向

2.4 注射時間對力學性能及碳纖維分布的影響

注射時間從1.6 s變化到2.4 s時，試樣拉伸強度試驗曲線如圖8所示。

圖8 注射時間對試樣拉伸強度的影響

由圖8可知，注射時間1.8 s時，試樣拉伸強度最大，達到61.38 MPa，試樣彎曲強度131.72 MPa，彎曲模量為6500.52 MPa。注射時間從1.6 s變化到2.4 s時，拉伸強度先增加后減小再增加。注射時間變化對碳纖維的取向有明顯作用，且無明顯規律，對試樣力學性能的提升不大。隨注射時間變化，纖維取向沿厚度分布也會發生變化：注射時間增加時，核層變窄，而殼層變寬[15]；注射時間越長，碳纖維隨熔體流動速率緩慢，碳纖維流動方向相對雜亂，易形成應力集中點，導致試樣力學性能降低。

圖9 不同注射時間下試樣斷面碳纖維取向

圖9a為注射時間1.8 s試樣斷面在掃描電鏡下的碳纖維取向，注射時間越短，熔體流動速率越快，碳纖維隨熔體流動方向取向度更高，試樣拉伸強度有一定程度的增加，碳纖維取向張量為0.7422。圖9b為注射時間2.2 s下試樣斷面在掃描電鏡下觀察的碳纖維取向，碳纖維取向張量為0.6921。注射時間過長，熔體流動緩慢，不利于熔體沖模，導致纖維分布混亂，沿拉伸方向碳纖維相對偏少，對試樣拉伸強度沒有明顯提升作用。

3 結論

1)采用正交實驗得到碳纖維增強復合材料注塑成型最佳工藝參數組合：注射壓力115 MPa、熔體溫度300 ℃、模具溫度110 ℃、注射時間時1.8 s。各參數對纖維取向張量的影響程度依次為：注射壓力>模具溫度>熔體溫度>注射時間。

2)最優注射壓力對試樣力學性能提升最大，試樣斷面碳纖維取向最一致，纖維取向張量最大；熔體溫度、模具溫度對試樣力學性能提升相對較小，且碳纖維取向程度相對較低；注射時間的變化對碳纖維的取向有明顯作用，對力學性能的提升無明顯規律，碳纖維的取向程度與拉伸強度測試結果一致。

3)在最佳工藝參數組合條件下，制件抗拉強度最大值為64.45 MPa，彎曲強度141.23 MPa，彎曲模量最大值7315.45 MPa，纖維取向張量最大值為0.8396。