環氧樹脂/碳纖維復合材料模壓制品力學性能影響因素分析

趙川濤，賈志欣，劉立君，李繼強，張臣臣，榮 迪，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，浙江 寧波 315100；3.浙江理工大學，杭州 310018；4.寧波益普樂模塑有限公司，浙江 寧波 315615）

0 前言

EP/CF SMC 是一種以碳纖維為增強體，EP 為基體的新型復合材料，在汽車零部件中應用所占比重逐漸提高［1-4］。SMC 復合材料往往采用模壓成型工藝，具有生產成本低、材料利用率高、外形穩定性好等優點［5-7］；在模壓成型過程中，工藝參數對復合材料制品質量有著重要影響［8-10］。

目前有不少專家學者針對模壓成型工藝對于制品力學性能開展了研究，羅美蘭［11］、Xie［12］、李含宇［13］、Umamheshwar［14］、汪興［7］等通過實驗探究工藝參數對于樹脂基復合材料制品力學性能的影響；Yallew 等［15］以天然纖維增強復合材料為對象，研究了工藝參數對于模壓成型制品拉伸強度的影響。李欣［16］研究了脂含量對于CF/PEEK 復合材料力學性能的影響。史如靜等［16］分析了模壓成型溫度、壓力等對CF/PEEK 復合材料Ⅰ型層間斷裂韌性的影響規律。上述研究說明模壓成型的工藝參數對于制品力學性能有較大的影響。

本文以EP/CF SMC 模壓成型制品的力學性能為研究對象，設計正交實驗研究模壓溫度、模壓壓力、保壓時間、合模速度對模壓制品力學性能的影響，并分析了拉伸試樣的破壞機理，為改善模壓制品力學性能提供一定的理論基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本文實驗所采用的EP/CF SMC 材料由常州市螢火蟲復合材料有限公司提供，纖維質量分數50%，纖維長度25.4 mm，其成分主要包括EP、短切碳纖維以及各類添加劑等。

1.2 主要設備及儀器

模溫機，ADDM-36，蘇州奧德機械有限公司；

模具，自行設計，寧波益普樂模塑有限公司。

拉伸試驗機，SANS CMT4204，深圳新三思有限公司；

彎曲試驗機，SANS CMT6103，深圳新三思有限公司；

場發射掃描電子顯微鏡（SEM），HITACHI S-4800，日本HITACHI 公司。

1.3 樣品制備

選定模壓溫度、模壓壓力、保壓時間、合模速度4個工藝參數設計正交實驗，每個因素設置4個水平并增設1 列空列，用于方差分析事后檢驗；故選用L16(45)正交表，其因素水平如表1所示。將剪切好的SMC 放置于模具中，按照正交實驗設置模壓工藝參數，制備16組工藝參數下的平板制件。

由圖2可知，無事件狀態下出血的效用值的變化對于結果的影響最大，其他效用值的變化對于結果的影響可以忽略不計。因此，對于無事件狀態下出血的效用值進行單因素敏感性分析，結果見表7。

表1 正交實驗因素水平表Tab.1 Factor level table of the orthogonal test

1.4 性能測試與結構表征

拉伸強度測試：拉伸強度測試按照正交實驗16 組工藝參數制備平板制品，每組參數制備2塊，標記為A、B板，共計32塊，拉伸試樣水平切割方案如圖1（a）；拉伸性能按照GB/T 1447—2005測試，環境溫度為20 ℃，濕度為40%～60%，設置拉伸測試速度為10 mm/min；

圖1 試樣切割方案Fig.1 Specimen cutting scheme

彎曲強度測試：彎曲強度測試按照正交實驗16組工藝參數制備平板制品，每組參數制備3塊，標記為C、D、E板，共計48塊，試樣切割方案如圖1（b）；彎曲性能按照GB/T 1449—2005測試，環境溫度為20 ℃，濕度為40%～60%，設置彎曲測試速度為10 mm/min，跨距為80 mm；

孔隙率及纖維含量測定：按照GB/T 3365—2008制備金相試樣，采用圖像分析方法計算孔隙和纖維面積與整個圖片面積的比值，得到試樣的孔隙率和纖維含量。

2 工藝參數對EP/CF SMC 模壓制品力學性能影響分析

2.1 正交實驗結果

根據正交實驗表設計一共是16 組工藝參數，每組工藝參數取A 板6 個水平試樣和B 板6 個垂直試樣上共12 個試樣強度的平均值作為其拉伸強度(σt)，Rt表示每組工藝參數下拉伸強度的標準差；每組工藝參數取C、D、E 3 塊板各取8 個試樣共24 個試樣，將24 個試樣彎曲強度的平均值作為其彎曲強度(σf)，Rf表示每組工藝參數下彎曲強度的標準差；正交實驗方案以及測試結果如表2所示。

表2 正交實驗方案及結果Tab.2 Orthogonal experimental protocol and results

2.2 正交實驗方差分析結果

拉伸強度的正交實驗方差分析如表3所示，結果表明模壓溫度、模壓壓力、合模速度的顯著性水平均小于0.05，表明這3 個因素對EP/CF 拉伸強度均有顯著性影響；保壓時間的顯著性水平為0.133 大于0.05，說明保壓時間對其拉伸強度的實驗結果影響不顯著。各因素的F值為：FT=10.665，FP=10.144，Ft=4.246，Fv=26.922；根據F值判斷各因素對拉伸強度影響的主次順序為：合模速度>模壓溫度>模壓壓力>保壓時間。

表3 拉伸強度的正交實驗方差分析表Tab.3 Analysis of variance of orthogonal experiments on tensile strength

彎曲強度的正交實驗方差分析如表4所示。結果顯示合模速度的顯著性水平為0.049，為顯著性因素。模壓壓力的顯著性水平為0.095，在0.1 水平下顯著。而模壓溫度和保壓時間顯著性水平均大于0.1，對彎曲強度實驗結果的影響不顯著。各因素的F值為：FT=2.147，FP=5.614，Ft=1.694，Fv=9.396；根據F值大小可判斷各因素對彎曲強度影響的順序為：合模速度>模壓壓力>模壓溫度>保壓時間。

表4 彎曲強度正交實驗方差分析表Tab.4 Analysis of variance for orthogonal experiments on flexural strength

2.3 工藝參數對制品力學性能的影響

采用鄧肯法分析各工藝參數對制品力學性能的影響如表5所示。對于模壓溫度對拉力學性能的影響，由A 可知，當模壓溫度為140 ℃時，平板制品的拉伸強度最高為175.39 MPa，第一水平與第二、第三水平之間存在顯著性差異；由B可知，當模壓溫度為140 ℃時，模壓制品彎曲強度最大為353.15 MPa，4 個水平之間的差異在0.1 水平下顯著。對于模壓壓力對力學性能的影響，由A 可知，當模壓壓力為400 kN 時，平板制品的拉伸強度最大為177.92 MPa，第二、第三、第四水平之間沒有顯著性差異，但都與第一水平存在顯著性差異；由B可知，當模壓壓力為500 kN時，平板制品的彎曲強度最大為363.75 MPa，第一、四水平與第二水平之間存在顯著性差異。對于保壓時間對力學性能的影響，由A 可知，當保壓時間為720 s 時，拉伸強度最大為174.89 MPa，4個水平之間在0.1水平上存在顯著性差異；由B 可知，當保壓時間為660 s 時，制品的彎曲強度最大為349.64 MPa；結果顯示4 個水平之間沒有顯著性差異。對于合模速度對力學性能的影響，由A 可知，當合模速度為1 mm/s 時，平板制品的拉伸強度最大為182.53 MPa；合模速度的第二、第三、第四水平之間沒有顯著性差異，與第一水平存在顯著性差異；由B 可知，當合模速度為5 mm/s 時，平板制品的彎曲性能最大為381.25 MPa；第一、第三、第四水平之間沒有顯著性差異，但是與第二水平之間存在顯著性差異。

表5 各工藝參數對拉伸強度和彎曲強度影響的鄧肯多重比較結果Tab.5 Duncan multiple comparisons of effects of each process parameter on tensile and flexural strength

模壓溫度對力學性能的變化趨勢如圖2（a）所示，隨著模壓溫度的增加，平板制品的彎曲強度和拉伸強度均呈現先增加后降低的趨勢。隨著溫度的升高，樹脂固化反應速度加快，固化程度提高，有利于提高制品的力學性能；然而過高的溫度可能導致樹脂固化過快，無法充分浸潤碳纖維形成較穩定的界面結構，從而降低制品的彎曲強度；隨著模壓溫度的升高，過高的模壓溫度可能導致內部應力增加，從而降低制品的彎曲強度。綜上分析，模壓溫度的升高在一定程度上有利于提高制品的拉伸強度和彎曲強度，但過高的溫度也會導致樹脂與纖維界面浸潤性較差，內部應力增大等問題，反而降低制品的力學性能。

圖2 拉伸強度和彎曲強度隨各工藝參數的變化Fig.2 Variation of tensile strength and bending strength with each process parameter

模壓壓力對力學性能的變化趨勢如圖2（b）所示，隨著模壓壓力的增加，平板制品的拉伸強度呈現逐漸減小的趨勢，彎曲力學性能呈現出先增加后下降的趨勢。模壓壓力的增加有助于提高EP 的流動性，使其更容易填充模具并浸潤CF；良好的樹脂浸潤性有利于提高CF 與樹脂之間的界面結合，從而提高制品的彎曲力學性能。然而，過高的模壓壓力可能導致CF 受到過大的擠壓，導致局部應力增加，從而使纖維斷裂或脫離基體，同時纖維束內部富脂區域增多，導致材料的彎曲強度降低。

保壓時間對力學性能的變化趨勢如圖2（c）所示，隨著保壓時間的增加，拉伸強度和彎曲強度總體上呈現出逐漸增加的趨勢。保壓時間的增加有助于EP 基體充分固化，提高樹脂與CF 之間的界面結合性能，改善由于溫度不均而產生的內應力，從而提高制品的拉伸強度和彎曲強度；然而，過長的保壓時間會降低生產效率、增大生產成本，樹脂也會發生氧化分解等給產品質量帶來不利影響。

合模速度對力學性能的變化趨勢如圖2（d）所示，隨著合模速度的增加，制品的拉伸強度呈現出逐漸降低的趨勢，而彎曲強度呈現出先增加后下降的趨勢。過慢的合模速度會導致樹脂在模具內流動過程中發生固化，樹脂無法充分地浸潤CF，使得樹脂與碳纖維之間的界面結合不良，導致制品的力學性能下降。適當的合模速度有助于提高樹脂的流動性，使其更容易填充模具并浸潤CF，同時也有助于將模具內的空氣和揮發物排出，減少制品內部缺陷，從而提高制品的彎曲性能。但是當合模速度過快時，會導致制品內部應力分布不均勻，制品內部裂紋、孔隙等缺陷增多，從而降低制品的力學性能。

3 基于K-均值的拉伸失效機理分析

3.1 K-均值聚類模型評價方法

由于樣本數量龐大，逐一觀察分析微觀形貌將耗費時間和成本。因此，采用K-均值聚類方法，以正交實驗的拉伸強度結果為聚類目標，以16 組不同的模壓工藝參數為樣本，以A板和B板的平均拉；強度建立K-均值聚類模型，選擇代表性試樣進行微觀形貌觀察，這有助于揭示微觀結構對力學性能的影響機理。為確定最佳的聚類數，采用平均輪廓系數來評估聚類效果。輪廓系數衡量了數據點與其所屬聚類內其他點的距離與數據點到其他簇內點的距離之間的差異，而平均輪廓系數則提供了聚類模型整體質量的評估指標。

3.2 K值選擇和聚類結果

不同K值下的平均輪廓系數如圖3所示，隨著K值的增加，平均輪廓系數出現先降低再增加的趨勢。在K值較小時，平均輪廓系數為0.671 8，隨后出現波動，但都小于K值為2時的值。這是因為聚類過細時，一些本應屬于同一類的數據點被劃分到了不同的簇，從而影響了輪廓系數的計算。當K值為7時，輪廓系數增大到0.677 2，當K值繼續增大至樣本總數16 時，平均輪廓系數為1，這時劃分的16 個簇中，每一個均包含1 個樣本點。但是聚類的目的是選出有代表性的試樣，在盡可能小的K值下獲得較高的平均輪廓系數，最終選K值為2對樣本進行分類。

圖3 不同K值下的平均輪廓系數Fig.3 Average profile coefficient under different K values

聚類后樣本的輪廓值如圖4所示，發現大部分樣本點輪廓系數大于0.7，表明與其所屬聚類內的其他樣本點相似性較高，同時與其他聚類的樣本點相似性較低，說明聚類效果較好。但是也有4 個樣本點小于0.5，其中還有1個為負值，這些樣本點與其所屬聚類內的其他樣本點和與其他聚類的樣本點之間的相似性差不多，聚類邊界不夠明顯。聚類結果發現有7 組樣本點被分為簇Ⅰ，9 組樣本點被分為簇Ⅱ，兩簇中的樣本點分布較為均勻，盡管樣本的分散程度較大，但是聚類中心附近的樣本點仍然具有一定的代表性。

圖4 不同簇下樣本的輪廓值Fig.4 Profile values of the samples under different clusters

EP/CF 拉伸強度樣本點的聚類效果如圖5所示。每個簇的質心用帶圓圈的X 表示。簇Ⅰ的質心為（133.49，190.11），簇內的A 板和B 板的拉伸強度均值比較接近，簇Ⅱ的質心為（169.53，182.57），簇內的A板和B 板的拉伸強度均值差異較大。通過計算各個樣本點與質心的距離，樣本4、樣本10 距離各自聚類中心較近，能夠較好地代表聚類的特征，其對應的工藝參數和拉伸強度如表6所示。

圖5 聚類分析結果Fig.5 Cluster analysis results

表6 聚類樣本的工藝參數和拉伸強度Tab.6 Process parameters and tensile strength of the clustered samples

3.3 EP/CF SMC拉伸力學行為分析

由于聚類結果中樣本4 的A 板與B 板的工藝參數相同，但是其力學性能相差較大，因此選取第四組工藝參數下A 板和B 板中典型拉伸試樣，繪制其拉伸應力-應變曲線，如圖6所示，圖中A4-1試樣數據缺失?？梢钥吹?，A板的平均拉伸強度要小于B板，其中A4-6的拉伸強度最小，僅為91.81 MPa，B4-1 試樣的拉伸強度最大，達到219.44 MPa。

圖6 拉伸試樣應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of the tensile specimens

拉伸應力-應變曲線大致可以分為3 個階段：第一階段試樣應力約為0～10 MPa，在加載初期，應力-應變曲線表現為線性增加，試樣在該階段發生彈性變形，基體中尚未產生裂紋等缺陷；第二階段的試樣應力約為10～50 MPa，隨著載荷繼續增加，曲線斜率相比第一階段較低，此時主要由制品內部的樹脂基體承受載荷，基體內部逐漸出現損傷，裂紋沿著孔隙、分層等缺陷逐漸擴展，材料抵抗應變的能力降低；第三階段為試樣承受的載荷大于50 MPa 之后，應力-應變曲線斜率進一步增加并呈現出準線性特征，這是因為CF 作為增強體開始承受載荷抵抗變形，當達到最大破壞載荷之后，應力突然下降，呈脆性斷裂特征。

對于A4-3 試樣，其應力-應變曲線較為特殊，第三階段中，在接近材料的最大破壞載荷前，曲線斜率并不是線性上升，而是出現了鋸齒狀抖動。這是因為材料在第二階段裂紋拓展出現了分層，一部分CF 受力發生斷裂或從基體拔出，另一部分仍在抵抗變形，直至到達最大破壞載荷。

3.4 EP/CF SMC拉伸破壞模式分析

A4-3、A4-6 和B4-1 拉伸試樣的斷口如圖7所示。對于A4-3 試樣，可以觀察到試樣斷裂面并不整齊，隨著載荷的增加，試樣的兩側最先受力斷裂，其失效機理是由于纖維或樹脂基體不能夠抵抗載荷而發生拉伸斷裂；而此時試樣的中間部分仍然能夠抵抗載荷引起的形變，但隨著載荷進一步增加，在剪切力的作用下界面中的裂紋擴展，最終使CF與樹脂基體分離發生斷裂。

圖7 典型拉伸試樣斷口Fig.7 Typical tensile specimen break section

對于A4-6 試樣，其拉伸強度最小，其斷口基本沿著試樣寬度方向拓展，試樣的失效原因主要是由于受到拉伸載荷而導致樹脂或纖維發生脆性斷裂；對于B4-1 試樣，可以看到其斷口沿著試樣長度方向拓展，失效原因主要是由于在剪切力的作用下界面發生了分離。因此，選取的3 個典型試樣很好地解釋了EP/CF SMC的拉伸斷裂失效機理。

為了進一步揭示EP/CF SMC 的拉伸損傷機制，使用SEM 觀察A4-6 和B4-1 拉伸試樣斷面形貌，試樣的1 000 倍和2 000 倍的SEM 照片如圖8所示，從圖中可以看出，兩者的形貌有較大的差異。由圖8（a）可知，樹脂出現了剝離，出現了一片片的紋理狀樹脂，這說明樹脂的固化交聯程度較低，在拉伸應力的作用下很容易被剝離。圖8（b）相比于圖8（d），可以觀察到斷裂的纖維表面更加光滑，殘余的樹脂較少，說明纖維與纖維之間的結合程度較低。B4-1 試樣上的CF 表面殘留較多樹脂，纖維與纖維之間由EP 基體緊緊黏連在一起?？梢园l現試樣A4-6 與B4-1 的拉伸強度存在較大差異性的原因是CF 與EP 的結合程度不同，界面結合強度的差異性是影響制品拉伸強度的根本原因。

圖8 斷面形貌對比Fig.8 Comparison of the section topography

4 結論

（1）工藝參數對于拉伸強度的影響大小為合模速度>模壓溫度>模壓壓力>保壓時間，工藝參數對于彎曲強度的影響大小為合模速度>模壓壓力>模壓溫度>保壓時間；影響拉伸強度的顯著性因素為合模速度、模壓溫度和模壓壓力，影響彎曲強度的顯著性因素是合模速度；

（2）適當提高模壓溫度和模壓壓力有助于提高制品的力學性能，但過高的溫度可能導致樹脂浸潤不良和內部應力增加，保壓時間的增加總體上有利于提高制品的拉伸強度和彎曲強度，因為它有助于樹脂基體充分固化和改善界面結合性能；合模速度的過快或過慢都可能降低制品的力學性能，適當的合模速度有助于樹脂的流動性和排除內部缺陷，提高制品的性能；

（3）分析了拉伸破壞試樣的失效機理，其斷口存在2種破壞形式，一種主要是由于纖維或基體不能夠承受拉伸應力發生斷裂，其纖維表面更加光滑，殘留樹脂較少；另一種主要是由于在剪切應力的作用下界面中裂紋擴展發生剪切破壞，纖維表面殘留更多樹脂，纖維之間結合程度更高，2種反映了界面結合強度的差異性是影響制品拉伸強度的本質原因。