家具設計中碳纖維復合材料的注塑成型與性能研究

陸 瑩 ，毛燎厚

（1廣西機電職業技術學院，廣西南寧 530009；2 蘇州中科百奧科技發展有限公司，江蘇蘇州 215000）

碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料具有質量輕、強度高、耐高溫和服役壽命長等特點，在現代化工業中得到了廣泛運用，且隨著應用領域的不斷擴展和國產化程度的提高，碳纖維復合材料已從傳統的航空航天、船舶等領域向家具、建筑等民生領域延伸，并已展現出良好的應用前景[1]。對于家具設計用應用的碳纖維復合材料而言，其形狀更加復雜、對力學性能的要求相對較高，而實際注塑成型過程中碳纖維增強樹脂的流動性和填充性能較差[2-3]，需要從注塑成型工藝、復合材料中碳纖維成分配比等多角度來改善復合材料的成型質量和力學性能。例如，國內的許寶武等[4]和國外的 Gandhi等[5]研究了碳纖維對環氧樹脂基復合材料疲勞性能和彎曲性能等的影響，相關研究已較多，但是大多還是基于傳統的注塑成型工藝，而對基于順序閥澆口的成型工藝方面的研究報道較少[6-8]。本文對比分析了傳統注塑（多澆口進膠）工藝和新型SVG（順序閥澆口）工藝下碳纖維復合材料的成型質量，結果可為高綜合性能的碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的開發及其在家具設計中的應用提供參考。

1 材料與測試方法

試驗材料：UMG ABS公司生產的碳纖維增強熱塑性樹脂（PC/ASA+CF）復合材料。采用HTF 470型液壓超高速注塑成型機對碳纖維復合材料進行注塑成型，所采用工藝為傳統注塑（多澆口進膠）工藝和新型SVG（順序閥澆口）工藝，工藝參數主要包括熔體溫度、模具溫度、注射壓力、注射速率等[9-10]，碳纖維復合材料中碳纖維的質量分數為0~25%。

采用moldflow軟件[11]對注塑成型后碳纖維復合材料中的熔接痕和氣穴進行觀察。參照GB/T 1040.5進行室溫拉伸性能測試，設備為MTS-810型萬能材料試驗機。圖1為拉伸試樣尺寸示意圖，其中，L=150mm、W=20mm、H=115mm、d=4mm、C=60mm、b=10mm、標距G0=50mm、R=60mm，拉伸速率為30mm/min，溫度為25℃，結果為10組試樣的平均值。參照GB/T 9341進行室溫彎曲性能測試，設備為YHS-229型彎曲試驗機。圖2為彎曲試樣尺寸示意圖，其中1表示加壓壓頭（r=5mm）、2表示彎曲試樣、3表示支座（r2=2mm）、h表示厚度、P表示彎曲負載、l表示試樣長度，溫度為25℃，結果為5組試樣的平均值。

圖1 拉伸試樣尺寸示意圖Fig. 1 Schematic diagram of tensile sample size

圖2 彎曲試樣尺寸示意圖Fig. 2 Schematic diagram of bending sample size

2 結果與討論

兩種不同注塑成型工藝下碳纖維復合材料試件的熔接痕形貌如圖3所示。對比分析可知，采用傳統注塑成型工藝下，碳纖維復合材料中可見明顯熔接痕，這些熔接痕在成型后形成了熔接環，會對最終力學性能產生一定影響；采用SVG注塑成型工藝下，碳纖維復合材料中的熔接痕基本消失。由此可見，采用SVG注塑成型可以消除傳統注塑成型工藝下的熔接痕缺陷。

圖3 兩種不同注塑成型工藝下碳纖維復合材料試件的熔接痕Fig. 3 Weld lines of carbon fiber composite specimens under two different injection molding processes

進一步對兩種不同注塑成型工藝下碳纖維復合材料試件的氣穴分布進行觀察，結果如圖4所示。對比分析可知，采用傳統注塑成型工藝下，碳纖維復合材料中可見明顯氣穴存在，且氣穴主要在熔接痕附近存在；采用SVG注塑成型工藝下，碳纖維復合材料中的氣穴基本消失，只是在邊緣處可見零星氣穴。由此可見，采用SVG注塑成型可以消除傳統注塑成型工藝下的氣穴缺陷。

圖4 兩種不同注塑成型工藝下碳纖維復合材料試件的氣穴分布Fig. 4 Cavitation distribution of carbon fiber composite specimens under two different injection molding processes

碳纖維質量分數對碳纖維復合材料拉伸性能的影響如圖5所示。從熔體溫度影響規律上看，隨著碳纖維質量從0增加至25%，熔體溫度為260℃和270℃的碳纖維復合材料的拉伸強度不斷增大，而熔體溫度為250℃的碳纖維復合材料的拉伸強度先增加后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值；從模具溫度影響規律上看，隨著碳纖維質量從0增加至25%，模具溫度為50℃、60℃和70℃的碳纖維復合材料的拉伸強度不斷增大，且相同碳纖維質量分數下，模具溫度越高則碳纖維復合材料的拉伸強度越大；從注射速率影響規律上看，隨著碳纖維質量從0增加至25%，注射速率為150g/s、200g/s和250g/s的碳纖維復合材料的拉伸強度先增加后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值，且相同碳纖維質量分數下，注射速率越大則碳纖維復合材料的拉伸強度越大；從注射壓力影響規律上看，注射壓力為180MPa、210MPa和240MPa的碳纖維復合材料的拉伸強度先增加后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值，且相同碳纖維質量分數下，注射壓力越大則碳纖維復合材料的拉伸強度越大。這主要是因為如果碳纖維復合材料中碳纖維質量分數過大（25%），復合材料中的碳纖維會發生一定程度的“團聚”，在產生內應力的同時會降低界面結合性能，因此在受外力作用下，復合材料中的應力不能有效傳遞而造成拉伸性能降低[12-13]。綜合而言，碳纖維復合材料中碳纖維質量分數為20%時可以取得良好的拉伸性能。

圖5 碳纖維質量分數對碳纖維復合材料拉伸性能的影響Fig. 5 Effect of carbon fiber mass fraction on tensile properties of carbon fiber composites

碳纖維質量分數對碳纖維復合材料彎曲性能的影響如圖6所示。從熔體溫度影響規律上看，隨著碳纖維質量從0增加至25%，熔體溫度為250℃、260℃和270℃的碳纖維復合材料的彎曲模量先增加后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值，且相同碳纖維質量分數下，熔體溫度越高則碳纖維復合材料的彎曲模量越大；從模具溫度影響規律上看，隨著碳纖維質量從0增加至25%，模具溫度為50℃、60℃和70℃的碳纖維復合材料的彎曲模量先增加后減小，當模具溫度為50℃、60℃和70℃時，分別在碳纖維質量分數為20%、20%和15%時取得最大值；從注射速率影響規律上看，隨著碳纖維質量從0增加至25%，注射速率為150g/s、200g/s和250g/s的碳纖維復合材料的彎曲模量先增加后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值。且相同碳纖維質量分數下，注射速率越大則碳纖維復合材料的彎曲模量越大；從注射壓力影響規律上看，注射壓力為180MPa、210MPa和240MPa的碳纖維復合材料的彎曲模量先增加后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值。且相同碳纖維質量分數下，碳纖維復合材料的彎曲性能隨著碳纖維質量分數的影響規律基本與拉伸性能類似，且如果碳纖維質量分數過大（25%），復合材料中的碳纖維會發生一定程度的“團聚”，在產生內應力的同時會降低界面結合性能，因此在受外力作用下，復合材料中的應力不能有效傳遞而造成彎曲性能降低[14]。綜合而言，碳纖維復合材料中碳纖維質量分數為20%時可以取得良好的彎曲性能。

圖6 碳纖維質量分數對碳纖維復合材料彎曲性能的影響Fig. 6 Effect of carbon fiber mass fraction on bending properties of carbon fiber composites

碳纖維質量分數對碳纖維復合材料熔接痕處和非熔接痕處力學性能的影響如圖7所示，熔體溫度260℃、模具溫度60℃、注射速率200g/s、注射壓力210MPa。從圖7可見，熔接痕處試樣和非熔接痕處試樣的拉伸強度會隨著碳纖維質量分數增加先增大后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值，且在相同碳纖維質量分數下，非熔接痕處試樣的拉伸強度都明顯大于熔接痕處試樣；熔接痕處試樣和非熔接痕處試樣的彎曲模量隨著碳纖維質量分數的增加先增大后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值，且在相同碳纖維質量分數下，非熔接痕處試樣的彎曲模量都明顯大于熔接痕處試樣。由此可見，無論是拉伸強度還是彎曲模量，碳纖維復合材料注塑成型后的非熔接痕處試樣的力學性能都要優于熔接痕處試樣，因此，在實際注塑成型過程中，應該避免在碳纖維復合材料成型試樣中產生熔接痕[15]，這也說明本文采用的SVG工藝具有良好的應用前景。

圖7 碳纖維質量分數對碳纖維復合材料熔接痕處和非熔接痕處力學性能的影響Fig. 7 Effect of carbon fiber mass fraction on mechanical properties of carbon fiber composite at weld line and non weld line

3 結論

（1）采用SVG注塑成型可以消除傳統注塑成型工藝下的熔接痕缺陷和氣穴缺陷。

（2）隨著碳纖維質量分數從0增加至25%，不同熔體溫度、模具溫度、注射壓力和注射速率下碳纖維復合材料的彎曲模量先增加后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得良好綜合性能。

（3）隨著碳纖維質量分數的增加，熔接痕處試樣和非熔接痕處試樣的拉伸強度和彎曲模量都表現為先增大后減小，在碳纖維質量分數為20%時取得最大值，且在相同碳纖維質量分數下，非熔接痕處試樣的拉伸強度和彎曲模量都明顯大于熔接痕處試樣。