梅建良，錢應(yīng)平，王俊霄

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

樹脂基碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、機(jī)械化工、汽車制造和運(yùn)動器材等眾多領(lǐng)域[1]。目前國內(nèi)外對碳纖維復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced composite，CFRP)的研究主要集中在復(fù)合材料的制備方法[2-4]及其力學(xué)性能[5]上。與傳統(tǒng)的樹脂塑料相比，樹脂基纖維復(fù)合材料在注塑過程中的工藝優(yōu)化[6-9]、質(zhì)量保障、碳纖維排布對產(chǎn)品力學(xué)性能影響規(guī)律的研究不夠完善。本文以碳纖維復(fù)合材料為對象，研究成型工藝參數(shù)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器設(shè)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(jī)，MA1200-370G；拉伸試驗(yàn)機(jī)，UTM5105；掃描電子顯微鏡，SU8010。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)組別，設(shè)置不同注塑成型工藝參數(shù)生產(chǎn)注塑樣品，樣品規(guī)格為100 mm×20 mm×5 mm。

優(yōu)化注塑成型工藝參數(shù)旨在獲取更好的纖維取向程度，從而提高產(chǎn)品在纖維取向方向上的力學(xué)性能。因此，將定量衡量纖維取向程度的數(shù)值參數(shù)纖維取向張量[8]及力學(xué)性能指標(biāo)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度作為試驗(yàn)指標(biāo)最為合適。為反映成型工藝參數(shù)對纖維取向的影響，需建立試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因子之間的關(guān)系。成型過程中熔體溫度、模具溫度、注射壓力及注射時(shí)間都能不同程度地影響塑件中的纖維取向。試驗(yàn)因子及水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因子及水平

1.3 正交試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)因子及水平表，在表1中選取4個(gè)因素作為試驗(yàn)因子，每個(gè)試驗(yàn)因子對應(yīng)5個(gè)因素水平，并按照表2設(shè)置的參數(shù)做模擬試驗(yàn)，在Moldflow中的工藝設(shè)置中，依次輸入實(shí)驗(yàn)1—20的工藝參數(shù)，分別分析求解，得到纖維取向張量指標(biāo)(表2)。

表2 纖維取向張量

續(xù)表2

圖1是4個(gè)試驗(yàn)因子在5個(gè)不同水平下纖維取向張量結(jié)果的極差關(guān)系圖。從中可以明顯地得出各參數(shù)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(shí)間。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 熔體溫度對力學(xué)性能及碳纖維分布的影響

熔體溫度從280 ℃變化到320 ℃時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度的試驗(yàn)曲線如圖2所示。

圖2 熔體溫度對試樣拉伸強(qiáng)度的影響

由圖2可知，熔體溫度310 ℃時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值58.37 MPa，此時(shí)試樣彎曲強(qiáng)度為136.56 MPa，試樣彎曲模量為6286.85 MPa。熔體溫度增大，拉伸強(qiáng)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(shù)相同的條件下，物料粘度降低，充模時(shí)壓力損失降低，熔體更容易充模，同時(shí)也會使保壓時(shí)間延長，制件密實(shí)度增加[10]，碳纖維隨熔體流動取向度更高，試樣的拉伸強(qiáng)度有一定程度的增加。熔體溫度再升高時(shí)，熔體充模時(shí)的剪切作用減弱，取向效果有一定程度的減弱[11]，此時(shí)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(qiáng)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(qiáng)作用，在拉伸應(yīng)力下還會導(dǎo)致應(yīng)力集中，不利于拉伸強(qiáng)度的提升，采用纖維取向張量指標(biāo)定量描述纖維取向程度數(shù)值為0.6954；圖3b中碳纖維分布相對規(guī)整，纖維取向張量為0.7649，沿著拉伸方向碳纖維受到拉伸應(yīng)力，復(fù)合材料會表現(xiàn)出更高的拉伸強(qiáng)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(xué)性能及碳纖維分布的影響

模具溫度從90 ℃變化到130 ℃時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4 模具溫度對試樣拉伸強(qiáng)度的影響

由圖4可知，模具溫度110 ℃時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度最大，可達(dá)61.38 MPa。此時(shí)彎曲強(qiáng)度為132.27 MPa，彎曲模量為7262.65 MPa。當(dāng)模具溫度提高時(shí)，由于冷卻時(shí)間延長，使材料結(jié)晶度變大，試樣的力學(xué)性能得到提升[12]。隨著模具溫度進(jìn)一步提高，試樣力學(xué)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(chǎn)生較大孔洞缺陷，降低了試樣的力學(xué)性能，此時(shí)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(guī)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(fù)合材料表現(xiàn)出來的拉伸強(qiáng)度就越大，能有效提升試樣拉伸強(qiáng)度。

2.3 注射壓力對力學(xué)性能及碳纖維分布的影響

注射壓力從105 MPa變化到125 MPa時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)曲線如圖6所示。由圖6可知，注射壓力115 MPa時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值64.45 MPa；此時(shí)彎曲強(qiáng)度為141.23 MPa，彎曲模量7315.45 MPa。注射壓力增大，試樣拉伸強(qiáng)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(guī)律，取向更一致，提高了制件的力學(xué)性能。隨著注射壓力增大，纖維取向程度增大，與短玻纖增強(qiáng)聚丙烯不同注射壓力下的斷面形態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相接近。

圖6 注射壓力對試樣拉伸強(qiáng)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(dāng)纖維隨機(jī)取向時(shí)，其起到的增強(qiáng)作用會大大削弱，在拉伸應(yīng)力作用下，導(dǎo)致應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中點(diǎn)過多，則促使復(fù)合材料強(qiáng)度降低，此時(shí)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(dá)到0.8396。當(dāng)纖維平行排列時(shí)，應(yīng)力方向與纖維方向一致，碳纖維將受到基體產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和由該剪切應(yīng)力引起的纖維軸向拉伸應(yīng)力[14]，復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的拉伸強(qiáng)度。

圖7 不同注射壓力下試樣斷面碳纖維取向

2.4 注射時(shí)間對力學(xué)性能及碳纖維分布的影響

注射時(shí)間從1.6 s變化到2.4 s時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)曲線如圖8所示。

圖8 注射時(shí)間對試樣拉伸強(qiáng)度的影響

由圖8可知，注射時(shí)間1.8 s時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度最大，達(dá)到61.38 MPa，試樣彎曲強(qiáng)度131.72 MPa，彎曲模量為6500.52 MPa。注射時(shí)間從1.6 s變化到2.4 s時(shí)，拉伸強(qiáng)度先增加后減小再增加。注射時(shí)間變化對碳纖維的取向有明顯作用，且無明顯規(guī)律，對試樣力學(xué)性能的提升不大。隨注射時(shí)間變化，纖維取向沿厚度分布也會發(fā)生變化：注射時(shí)間增加時(shí)，核層變窄，而殼層變寬[15]；注射時(shí)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(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致試樣力學(xué)性能降低。

圖9 不同注射時(shí)間下試樣斷面碳纖維取向

圖9a為注射時(shí)間1.8 s試樣斷面在掃描電鏡下的碳纖維取向，注射時(shí)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(qiáng)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(shí)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(shí)間過長，熔體流動緩慢，不利于熔體沖模，導(dǎo)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(qiáng)度沒有明顯提升作用。

3 結(jié)論

1)采用正交實(shí)驗(yàn)得到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料注塑成型最佳工藝參數(shù)組合：注射壓力115 MPa、熔體溫度300 ℃、模具溫度110 ℃、注射時(shí)間時(shí)1.8 s。各參數(shù)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(shí)間。

2)最優(yōu)注射壓力對試樣力學(xué)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(xué)性能提升相對較小，且碳纖維取向程度相對較低；注射時(shí)間的變化對碳纖維的取向有明顯作用，對力學(xué)性能的提升無明顯規(guī)律，碳纖維的取向程度與拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果一致。

3)在最佳工藝參數(shù)組合條件下，制件抗拉強(qiáng)度最大值為64.45 MPa，彎曲強(qiáng)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。