吳鳳楠，劉闊，賈志欣，李繼強，劉立君，王少峰，彭河

(1.浙江大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州 310012； 2.浙大寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100； 3.寧波益普樂模塑有限公司，浙江寧波 315615)

復(fù)合材料具有各組分獨自所不具有的優(yōu)良性能，憑借其力學(xué)性能好、密度小、比強度高的優(yōu)點在汽車車身、航空航天及建材領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[1–3]。復(fù)合材料的制備、成型工藝、制品是近年研究的熱點。

模壓成型[4]是復(fù)合材料成型方法[5]中非常重要的一種，它是指將特定形態(tài)如粉末態(tài)、纖維態(tài)或顆粒態(tài)的原料鋪放于預(yù)熱好的模具中，使其在一定溫度和壓力下固化成型的一種成型工藝，其多用于含熱固性塑料材料的成型，與其它成型方法相比，它具有材料利用率高、制件性能好、尺寸精度高、模具損耗小等一系列優(yōu)點。

片狀模塑料(SMC)是短切纖維與樹脂混合獲得的片狀模塑料，SMC 模壓是根據(jù)所需成型的模壓制件，裁剪出相應(yīng)質(zhì)量和形狀的SMC 片材；在模具預(yù)熱完成后，將片材鋪覆于模具下模表面，進(jìn)行合模加壓，使SMC 片材熔融流動，充滿型腔，經(jīng)過一定時間的保壓，開模取出制件。

預(yù)壓料模壓法(PCM)是采用編織的連續(xù)玻璃纖維布，在纖維布上均勻噴涂樹脂基體，使兩者充分浸潤并在一定溫度下獲取預(yù)制件，再將預(yù)制件置入預(yù)熱后的模具進(jìn)行合模加壓獲得制件。PCM 工藝適合用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的成型，且具有生產(chǎn)效率高、制品尺寸誤差小等特點。

隨著復(fù)合材料的應(yīng)用不斷擴展，受復(fù)合材料本身具有的可設(shè)計性和成型工藝的影響，從復(fù)合材料本身和成型制品試樣兩個角度展開制品的力學(xué)性能研究成為研究的熱點。王啟強等[6–7]對配置的復(fù)合材料進(jìn)行壓制，分析了其力學(xué)性能，張志堅等[8]研究了SMC 用高力學(xué)性能的玻璃纖維。馬偉強等[9]通過冷壓燒結(jié)成型工藝制備了玻璃纖維(GF)填充改性PTFE 復(fù)合材料，以提高摩擦磨損性能。盧軍凱等[10–11]研究了連續(xù)纖維增強的復(fù)合材料的力學(xué)性能。陳海霞等[12–14]分析了玻璃纖維增強材料的拉–拉疲勞性能、失效和纖維分布對疲勞性能的影響，曾帥等[15]對碳纖維–玻璃纖維層內(nèi)混雜單向增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸性能進(jìn)行了研究。筆者研究了SMC 和PCM 模壓制件的拉伸與彎曲力學(xué)性能。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

SMC 料：0400 H–14 NAT 01150，律通復(fù)合材料(上海)有限公司；

PCM 復(fù) 合 材 料：EV101–UL–40%–EWR400–400 gsm，江蘇恒神股份有限公司。

1.2 儀器

萬能試驗機：SANS CMT4204 型，最大力20 kN，深圳新三思試驗設(shè)備有限公司；

場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)：FEI QUANTA 250 FEG 型，美國FEI 公司。

1.3 試樣制備

分別采用玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂基SMC和PCM 復(fù)材通過模壓成型方法成型出如圖1所示的盒狀模壓制件。制件外形總體尺寸為520 mm×320 mm×69.5 mm，盒子頂部外圓角為R6.5，側(cè)面圓角為R11.5，拔模斜度為3°，壁厚為1.5 mm，如圖1 所示。

圖1 模壓制件外形圖

針對制備的SMC 和PCM 兩個盒型件，通過數(shù)控銑床加工出測試試樣。分別按照GB／T 1447–2005，GB／T 1449–2005 進(jìn)行試樣的切割，切割方案如圖2 所示。

拉伸試樣8 個，5 個試樣取自盒子頂部X 方向、1 個試樣盒子頂部Y 向和2 個試樣在盒子邊緣沿X向取向，在測試結(jié)果中分別以SMC–1，...，SMC–8，PCM–1，...，PCM–8 表示，如圖2a 所示。

彎曲試樣共3 組，2 組試樣位于盒子頂部，1 組試樣位于盒子邊緣。在測試結(jié)果中以SMC–A1、SMC–A2、SMC–B1、SMC–B2、SMC–C1、SMC–C2和PCM–A1，...，PCM–C2 表示(編號SMC–A 則代表取SMC–A1 與SMC–A2 中間段作為實驗材料，以此類推)。

圖2 試樣切割

1.4 測試方法

拉伸強度按照GB／T 1447–2005 測試。對試樣以2 mm／min 的速度進(jìn)行勻速加載，當(dāng)試樣發(fā)生破壞后，壓力機自動停止加載，通過自動記錄裝置記錄下加載過程中的最大負(fù)載。

彎曲強度按照GB／T 1449–2005 測試，跨距采用20 倍的壁厚，對試樣以2 mm／min 的速度進(jìn)行連續(xù)加載。

對拉伸和彎曲斷裂試樣表面做噴金處理后，采用SEM 進(jìn)行斷面形貌表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料拉伸性能測試結(jié)果及分析

(1)拉伸載荷–伸長量曲線。

由于所使用的萬能試驗機帶有自動記錄裝置，故獲得了材料的連續(xù)拉伸載荷–伸長量曲線，如圖3 所示。

由圖3 可知，兩種材料均沒有明顯的線彈性變形階段，故該種材料的尺寸穩(wěn)定性較差[12]，一旦受到一定的外力就會發(fā)生不可逆的塑性變形，使制件尺寸發(fā)生變化，且變形量越大越難發(fā)生變形。對比兩類材料可知PCM 制件的拉伸力學(xué)性能顯著優(yōu)于SMC。

圖3 試樣拉伸載荷–變形量曲線圖

(2)拉伸性能測試結(jié)果。

SMC 制件的拉伸性能測試結(jié)果見表1。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以看出，SMC 制件在不同方向上的力學(xué)性能有較大差異，表現(xiàn)出明顯的各向異性。由SMC1～SMC5，SMC7～SMC8 號制件可以看出，制件在X 向上的拉伸強度基本在50～80 MPa，而取向為Y 向的6 號制件的拉伸強度達(dá)到了125.3 MPa。同時可以看到位于制件邊緣的試樣其力學(xué)性能略低于位于制件頂部的試樣。

PCM 拉伸性能測試結(jié)果見表2。

表1 SMC 制件拉伸性能測試結(jié)果

表2 PCM 拉伸性能測試結(jié)果

同樣根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以看出，PCM 制件在不同方向上的力學(xué)性能存在差異，表現(xiàn)出一定的各向異性。制件在X 向上的拉伸強度基本為430～480 MPa，而Y 向取向試樣的拉伸強度則為348.45 MPa。同時也可以看到，制件邊緣的試樣力學(xué)性能略低于制件頂部的試樣。

對比兩類制件可以看出，不同取向的試樣的拉伸強度有變化，均表現(xiàn)出顯著的各向異性。SMC基 本 為50～120 MPa，PCM 拉 伸 強 度 為340～480 MPa，PCM 制件拉伸強度是SMC 制件的4～7倍。

2.2 復(fù)合材料彎曲性能測試結(jié)果及分析

(1)彎曲載荷–變形量曲線。

由于所使用的萬能試驗機帶有自動記錄裝置，故獲得了材料的連續(xù)彎曲載荷–變形量曲線，如圖4 所示。

圖4 試樣彎曲載荷–變形量曲線圖

由圖4 可知，兩類材料的彎曲變形曲線為明顯的凸曲線，設(shè)曲線的函數(shù)表達(dá)式為f(x)，則f(x)的導(dǎo)數(shù)[f′(x)]隨著橫坐標(biāo)的增大而減小，因材料的彎曲彈性模量與曲線的導(dǎo)數(shù)即f′(x)正相關(guān)，可知材料的彎曲彈性模量隨著變形量的增大而減小，但由圖4 可知，減小的幅度不明顯。對比兩類材料可知，PCM 制件的彎曲力學(xué)性能顯著優(yōu)于SMC。

(2)彎曲性能測試結(jié)果。

SMC 制件與PCM 制件的彎曲性能測試結(jié)果見表3、表4。

表3 SMC 制件彎曲性能測試結(jié)果

由表3 可知，SMC 制件頂部的彎曲彈性模量大于制件邊緣處，彎曲強度基本一致；PCM 制件彎曲強度和彎曲彈性模量各處都基本一致。對比兩類不同材料可知，SMC 制件的彎曲強度為150～190 MPa，PCM 制件的彎曲強度為400～450 MPa，PCM 制件彎曲強度是SMC 制件的2～3 倍；SMC制件的彎曲彈性模量為9～13 GPa，PCM 制件的彎曲彈性模量為19～24 GPa，PCM 制件彎曲彈性模量是SMC 制件的2 倍左右。

表4 PCM 制件彎曲性能測試結(jié)果

2.3 斷面形貌表征

圖5 為SMC 試樣斷面的SEM 照片。由圖5可知，對于SMC 制件，成型時的材料流動使得玻璃纖維局部呈現(xiàn)規(guī)則分布，具有一定的取向一致性，但整體呈無規(guī)則雜亂分布。圖6 為PCM 試樣的斷面SEM 照片。由圖6 可知，對于PCM 制件，由于使用規(guī)則結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維預(yù)制件成型，纖維總體呈正交規(guī)則排布，且材料斷面處呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，由此可以解釋兩者呈現(xiàn)出力學(xué)性能的各向異性。由斷面形貌可知，兩類材料的玻璃纖維與樹脂基體均為脆性斷裂，斷面處玻纖粘連少量樹脂，表明玻璃纖維與樹脂基體的界面結(jié)合強度不高，尤其對于PCM制件可以觀察到兩者的分離界面光滑。

圖5 SMC 試樣斷面SEM 照片

圖6 PCM 試樣斷面SEM 照片

3 結(jié)論

(1)取自制品不同位置的試樣，兩種材料的拉伸強度有顯著變化。SMC 制件的拉伸強度基本為50～120 MPa，PCM 制件的拉伸強度在340～480 MPa，PCM 制件拉伸強度是SMC 制件的4～7倍。

(2)取自制品不同位置的試樣，兩種制件材料的彎曲強度有變化。SMC 制件的彎曲強度為150～190 MPa，PCM 制件的彎曲強度為400～450 MPa，PCM 制 件 的 彎 曲 強 度 是SMC 制 件 的2～3 倍。SMC 制件的彎曲彈性模量為9～13 GPa，PCM 制件的彎曲彈性模量為19～24 GPa，PCM 制件的彎曲彈性模量是SMC 的2 倍左右。

(3)對于SMC 制件和PCM 制件，試樣截取的方向和位置對拉伸強度、彎曲強度均有較大影響。

(4)由SMC 制件的拉伸、彎曲斷面SEM 看出，玻璃纖維總體呈現(xiàn)雜亂分布狀態(tài)，小局部由于成型過程的纖維呈現(xiàn)一定的取向一致性，SMC 試樣力學(xué)性能為各向異性。

(5)由PCM 制件的拉伸試樣斷面SEM 看出，連續(xù)玻璃纖維總體呈現(xiàn)正交規(guī)則分布狀態(tài)，PCM 試樣力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性。