環氧樹脂/碳纖維復合材料模壓制品沖擊強度影響因素分析

榮 迪，賈志欣，劉立君，李繼強，趙川濤，高利珍，3，王少峰

（1.浙江大學機械工程學院，杭州 310012；2.浙大寧波理工學院機械與能源工程學院，浙江 寧波 315100；3.浙江理工大學機械工程學院，杭州 310018；4.寧波益普樂模塑有限公司，浙江 寧波 3115615）

0 前言

碳纖維增強的環氧樹脂片狀模塑料（EP/CFSMC）是由樹脂糊浸漬短切纖維后，經模壓工藝進行固化成型的復合材料［1-3］。EP/CF-SMC 比強度高、耐腐蝕、絕緣強度好、表面光潔度高、外形尺寸穩定，且成型效率高、生產成本低，廣泛應用于汽車、電力、建筑、航空航天等領域［4］。但其沖擊強度差仍是難以忽略的缺點，因此提高EP/CF-SMC 的沖擊強度已經成為進一步提高其使用效能的關鍵。

目前，已有不少學者針對復合材料模壓成型工藝對制品力學性能的影響開展了相關研究。張臣臣［5］、汪興等［6］通過設計正交試驗研究了模壓成型關鍵參數對樹脂基復合材料力學性能的影響。胡章平等［7］通過建立響應面模型分析了各個工藝參數對制品力學性能的貢獻率。楊志生［8］、花蕾蕾等［9］從制品生產角度研究了制品易產生缺陷的工序以及相應的控制方法。林旭東［10］、宋清華［11］、張吉等［12］通過建立數學物理模型，對模壓成型工藝制度進行了優化。Mayer［13］、吳鳳楠等［14］通過對制品進行微觀表征，研究了不同生產工藝對最終模壓制品的性能影響。

本文以EP/CF-SMC 模壓成型制品的沖擊性能為研究對象，設計正交試驗研究了模壓溫度、模壓壓力、保壓時間、合模速度對模壓制品沖擊性能的影響。使用極差法分析了4個因素對制品性能的影響程度大小；獲得了最佳的工藝參數并進行了驗證實驗；借助光學顯微鏡和場發射掃描電子顯微鏡（SEM）對典型沖擊斷裂試樣進行了微觀形貌表征，并分析了各影響因素作用于制品模壓成型過程中的微觀機制。

1 實驗部分

1.1 主要原料

EP/CF-SMC材料，碳纖維含量為50 %，纖維長度為25.4 mm，如圖1所示，常州市螢火蟲復合材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

倒置金相顯微鏡，ECLIPSE Ma100，尼康映像儀器銷售（中國）有限公司；

指針式塑料擺錘沖擊試驗機，ZBC1251-1，深圳市新三思材料檢測有限公司；

SEM ，FEI QUANTA 250 FEG ，美國 FEI 公司；

壓力機，YT71S-100A，天津市天鍛壓力機有限公司；

模溫機，ADDM-36，蘇州奧德機械有限公司；

模具，自行設計的平板模具，配有一套抽真空輔助裝置，寧波益普樂模塑有限公司；

壓力機、模溫機和模具組成了本次實驗的模壓成型系統，詳見圖2。

圖2 模壓成型系統Fig.2 Molding system

1.3 樣品制備

模壓溫度、模壓壓力、保壓時間、合模速度是影響EP/CF-SMC 材料模壓制品力學性能的4 個主要因素。選擇合適的因素水平設計得到正交試驗L16（44），其因素水平表如表1所示。將原料裁剪為160 mm×320 mm大小后，居中鋪放在預熱好的定模上，設置模壓參數，等待模壓完成。每組正交試驗生產一塊制品，共計制備16 塊平板制件。在平板制件上以如圖3所示方式截取沖擊試驗試樣，將與制品長邊方向平行、垂直的試樣分別記為X試樣和Y試樣。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factor level table of orthogonal test

圖3 試樣切割方案Fig.3 Sample cutting scheme

1.4 性能測試與結構表征

沖擊強度測試：采用擺錘式沖擊試驗機，最大勢能為7.5 J，測試標準為GB/T 1043.1—2008，測試環境溫度為19 ℃，環境濕度為43 %；

使用光學顯微鏡對濕磨、拋光后的試樣橫截面進行觀察；

使用SEM 對噴金處理后的試樣沖擊斷裂截面進行觀察，加速電壓為5.00 kV。

2 結果與討論

2.1 復合材料沖擊強度測試結果與分析

2.1.1 正交試驗結果

表2 正交試驗參數Tab.2 Orthogonal test parameters

表3 正交試驗參數下的沖擊強度結果Tab.3 Result of impact strength for the Orthogonal test parameters

2.1.2 不同取樣方向對制品沖擊強度的影響

將同一組參數下X試樣和Y試樣的平均沖擊強度進行比較，如圖4所示。

圖4 不同取樣方向制品的沖擊強度Fig.4 Impact properties of the products in different sampling directions

對X、Y方向的2 組沖擊強度進行Mann-WhitneyU統計檢驗，并計算X試樣、Y試樣沖擊強度的平均值，結果如表4所示，漸進顯著性（雙尾）小于0.05，表明2組數據存在顯著性差異，且Y試樣的沖擊強度平均值高于X試樣。綜合以上分析可以得出：EP/CF-SMC模壓制品沖擊強度表現為顯著各向異性，Y試樣的沖擊強度總體水平高于X試樣。

表4 不同取樣方向試樣沖擊強度的Mann-Whitney U檢驗Tab.4 Mann-Whitney U test for impact strength of patterns in different sampling directions

試驗編號為12 的X試樣、Y試樣沖擊強度差達到最大值23.85 MPa，使用光學顯微鏡對該組進行觀察，結果如圖5所示，可以觀察到X試樣中碳纖維較少且分布不均，存在大面積富脂區域，而Y試樣碳纖維分布均勻，僅部分小區域存在無纖維情況。

圖5 相同參數組下不同取樣方向試樣的金相顯微鏡照片Fig.5 Metallographic microscope images of typical patterns in different sampling directions

這是由于在模壓過程中，環氧樹脂帶動碳纖維填充模腔時在寬度方向上首先充滿，后續長度方向繼續填充的過程中，中心處仍有部分樹脂帶動纖維不斷向寬度方向擠壓，導致纖維密度在寬度方向上更大，最終使得EP/CF-SMC 模壓制品表現出顯著的各向異性，寬度方向上的試樣沖擊強度更優。

2.2 模壓參數對制品沖擊強度的影響

2.2.1 模壓參數的影響大小及最佳參數組合

使用整體沖擊強度較好的Y試樣進行極差分析，結果如表5所示：k1、k2、k3、k4分別代表各個影響因素的4 個水平；R代表各個影響因素下的沖擊強度極差值，可以反映該因素作用于制品時引起的沖擊強度變化范圍。圖6（a）為各個影響因素的極差值，可以得出各因素對制品沖擊強度影響的大小為：保壓時間t>合模速度v>模壓溫度T>模壓壓力P。圖6（b）為制品沖擊強度在各個影響因素不同水平下的均值變化情況，由圖6（b）可知：制品沖擊強度分別在（T）k1、（P）k2、（t）k1、（v）k1時達到該影響因素下的最大值，并可得出最佳參數組合為：模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為500 kN、保壓時間為540 s、合模速度為1 mm/s。使用該參數組進行模壓驗證試驗，并按照圖3所示的試樣切割方案，切取新制品Y方向試樣以進行沖擊強度測試，結果如表6所示，新制品沖擊強度平均提高了9.75 %。

表5 沖擊強度極差分析結果Tab.5 Impact strength range analysis results

表6 模壓參數優化前后的試樣沖擊強度Tab.6 Impact strength of the sample before and after optimization of molding parameters

圖6 模壓參數對制品沖擊強度影響的極差分析統計圖Fig.6 Statistical chart of the range analysis of the influence of molding parameters on the impact strength of products

2.2.2 模壓溫度對制品沖擊強度的影響

由圖7 可知，制品沖擊強度在模壓溫度為130 ℃時達到了最大值，而后隨著模壓溫度的升高，沖擊強度出現了先降低后升高再降低的波動現象。在模壓溫度為130 ℃時，樹脂固化速率適中，有充足的時間浸潤纖維以及填充纖維間的空隙；樹脂固化形成的交聯結構均勻地分布于制品中，使得纖維-基體界面結合強度優良，有利于沖擊破壞能量傳遞和阻止裂紋擴展，使得材料具有較高的沖擊強度。當模壓溫度升高后，固化反應加快，樹脂的流動性較差，不能夠充分浸潤纖維或填充纖維空隙，易產生孔隙或富脂區域，導致制品的內部結構不夠緊密；且過高的模壓溫度會使得樹脂發生局部過氧老化，導致沖擊強度較低。隨著模壓溫度繼續升高，雖然樹脂仍因為過高的固化反應速率而無法充分浸潤纖維或填充纖維空隙，但此時也因固化反應速率的提高，形成了更多的交聯結構，制品的內部結構變得更加致密，這種致密的結構可以有效地傳遞和分散沖擊載荷，從而使沖擊強度又有所回升。當模壓溫度繼續升高時，固化反應速率變得非常高，樹脂流動性極差，制品內部形成的交聯結構不能均勻分布，交聯結構較少的部分較為脆弱，受到沖擊時，這些脆弱區域易于發生斷裂，加之此時更為嚴重的熱氧老化現象，最終導致沖擊強度再度下降。

圖7 模壓溫度與沖擊強度的關系Fig.7 Relationship between molding temperature and impact strength

由圖7可知，模壓制品的沖擊強度平均值分別在模壓溫度為130 ℃和140 ℃時達到了最大值和最小值，且由圖6（b）可知：模壓壓力為400 kN 和500 kN 時、合模速度為5 mm/s 和10 mm/s 時，制品的沖擊強度相差較小，故在前述正交試驗中選取試驗編號為2 和5 的兩組作為相似對照組，分析模壓溫度對模壓制品沖擊強度的影響。如圖8所示為模壓溫度分別為130 ℃（2組）和140 ℃（5組）時試樣橫截面的金相顯微鏡照片。模壓溫度130 ℃時制品纖維和樹脂結合情況良好，固化程度適中，纖維分布均勻，該制品的沖擊強度良好；而140 ℃時樹脂出現了明顯的熱氧老化現象，以及較大范圍的富脂區域，導致該制品的沖擊強度較差。

圖8 不同模壓溫度下制品的金相顯微鏡照片Fig.8 Metallographic microscope images of the products at different molding temperature

2.2.3 模壓壓力對制品沖擊強度的影響

由圖9 可知，制品沖擊強度隨著模壓壓力的增大，先增大后減小。當壓力較低時，預浸料中的空氣不能及時排出，滯留在制品內部形成氣泡，導致制品中存在孔洞、毛刺等缺陷，最終導致制品的沖擊強度下降；而模壓壓力過大時，纖維束內部富脂區域增加，同時碳纖維和環氧樹脂結合界面的剪切應力會不斷增加，當剪切應力超過界面強度時，纖維和樹脂之間的黏附力無法抵抗剪切力，會發生界面分離和滑移，形成裂痕，受到沖擊時能量的傳遞率下降，最終導致制品的沖擊強度變差。由圖9可知，模壓制品的沖擊強度平均值分別在模壓壓力為500 kN 和700 kN 時達到了最大值和最小值，且由圖6（b）可知：保壓時間為600 s 和720 s 時、合模速度為5 mm/s 和15 mm/s 時，制品沖擊強度相差較小，故在前述正交試驗中選取試驗編號為2 和4 的兩組作為相似對照組，分析模壓壓力對模壓制品沖擊強度的影響。

圖9 沖擊強度與模壓壓力的關系Fig.9 Relationship between impact strength and molding pressure

圖10為模壓壓力分別為500 kN（2組）和700 kN（4組）時試樣橫截面的金相顯微鏡照片。模壓壓力為500 kN時纖維排布規則有序，無較明顯缺陷，制品沖擊強度良好；模壓壓力為700 kN 時，纖維排布雜亂，且存在多處富脂區域，嚴重影響制品的沖擊強度。

圖10 不同模壓壓力下制品的金相顯微鏡照片Fig.10 Metallographic microscope images of the products under different molding pressure

2.2.4 保壓時間對制品沖擊強度的影響

由圖11 可知，制品的沖擊強度隨著保壓時間的延長，先急劇減小而后緩慢增大。當保壓時間為550 s時，樹脂固化程度適中，與纖維充分交聯，纖維-樹脂界面結合能力強，受到沖擊破壞時，界面能夠有效地將能量傳遞給纖維束，從而阻止裂紋的擴展，此時制品表現出良好的沖擊性能；當保壓時間過長時，環氧樹脂過度固化，纖維-樹脂界面結合能力變差，制品內部應力增加，受到沖擊破壞時，纖維-基體界面迅速開裂，能量不能及時傳遞給纖維束，發生脆性斷裂，最終導致沖擊強度降低。由圖11 可知，模壓制品的沖擊強度平均值分別在保壓時間為540 s 和660 s 時達到了最大值和最小值，且由圖6（b）可知：模壓壓力為400 kN 和600 kN 時、合模速度為5 mm/s 和15 mm/s 時，制品沖擊強度相差較小，故在前述正交試驗中選取試驗編號為9 和11 的兩組作為相似對照組，分析保壓時間對模壓制品沖擊強度的影響。

圖11 沖擊強度與保壓時間的關系Fig.11 The relationship between impact strength and pressure holding time

圖12 為保壓時間為540 s（9 組）和660 s（11 組）的典型沖擊斷裂試樣斷面形貌，圖12（a）和（b）中纖維斷裂整齊，且纖維有較嚴重的變形，主要失效形式為斷纖失效，此時制品的沖擊強度良好。圖12（c）和（d）中，大束纖維抽出，且纖維上只黏帶少量樹脂，受沖擊破壞時，能量僅有少部分傳遞給纖維，主要失效形式為纖維-基體界面失效，此時制品的沖擊性能較差。

圖12 不同保壓時間下制品的SEM照片Fig.12 SEM of the products under different pressure holding time

2.2.5 合模速度對制品沖擊強度的影響

由圖13 可知，制品的沖擊強度隨著合模速度的加快先急劇減小，之后出現小范圍波動。低合模速度會得到較高沖擊強度的制品，因為此時樹脂的流動性好，更容易浸潤纖維和充填模腔，有助于排出模腔內氣體及揮發物，減少制品缺陷。而當合模速度過快時，樹脂過于流動，在充填過程中無法充分浸潤纖維，易產生孔隙；同時也會由于內部剪切應力的不均勻分布造成纖維-基體界面剝離，從而產生裂紋缺陷；并且樹脂在高速充填的過程中，易產生較多的富脂區域，削弱制品受到沖擊時的能量吸收，最終降低制品的沖擊強度。由圖13 可知，模壓制品的沖擊強度平均值分別在合模速度為1 mm/s 和5 mm/s 時達到了最大值和最小值，且由圖6（b）模壓壓力為400 kN 和500 kN 時、保壓時間為540 s 和600 s 時，制品的沖擊強度相差較小，故在前述正交試驗中選取試驗編號為1 和2 的兩組作為相似對照組，分析保壓時間對模壓制品沖擊強度的影響。

圖13 沖擊強度與合模速度的關系Fig.13 Relationship between impact strength and die closing velocity

圖14 為合模速度分別為1 mm/s（1 組）和5 mm/s（2 組）時制品的金相顯微鏡照片。合模速度為1 mm/s時，纖維排布緊密均勻，僅存在少量富脂區域，無明顯缺陷，此時制品沖擊強度較好；合模速度為5 mm/s 時，可以觀察到大片富脂區域，且纖維和樹脂結合界面出現了裂痕，嚴重影響了制品的沖擊強度。

圖14 不同合模速度下制品的金相顯微鏡照片Fig.14 Metallographic microscope images of the products at different closing speed

3 結論

（1）EP/CF-SMC 復合材料模壓制品的沖擊強度表現為顯著的各向異性，寬度方向沖擊強度整體上大于長度方向沖擊強度；

（2）模壓溫度、模壓壓力、保壓時間、合模速度主要通過影響環氧樹脂的固化度、對纖維的浸潤以產生不同的纖維-基體界面強度或孔隙、裂紋、富脂區域等缺陷，來影響制品的沖擊強度；

（3）EP/CF-SMC 復合材料模壓制品的沖擊強度隨著模壓溫度的升高會出現較為劇烈的波動；隨著模壓壓力的增大會先升高后減小；隨著保壓時間的延長，會先急劇下降，而后緩慢上升；隨著合模速度的加快，先急劇下降，而后有小范圍波動；

（4）各因素對制品沖擊強度的影響大小依次為：保壓時間t>合模速度v>模壓溫度T>模壓壓力P，其中保壓時間t對制品沖擊強度的影響最大；最佳工藝參數組合為：模壓溫度T為130 ℃、模壓壓力P為500 kN、保壓時間t為540 s、合模速度v為1 mm/s；

（5）基于最佳參數組進行驗證實驗，新制品的寬度方向平均沖擊強度相較于正交試驗中的最大值提高了9.75 %。