新型建筑用碳纖維復(fù)合材料的注塑成型與工藝優(yōu)化

（天津市規(guī)劃和自然資源局薊州分局 ，天津 301900）

碳纖維樹脂基復(fù)合材料具有比強度高、耐熱性能好以及具有很高的施為能力等特性，其中，碳纖維是由結(jié)晶形態(tài)的碳原子聚起形成的細(xì)長碳原子束組成，像紗線一樣將碳纖維擰起來，交織到面料或模壓中永久塑形可以用來制造各種建筑裝飾用材等[1]。隨著近年來建筑工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，碳纖維復(fù)合材料在建筑上的應(yīng)用也逐漸形成規(guī)?；?，這就要求與之相匹配的生產(chǎn)工藝，然而實際制備過程中碳纖維含量及注塑成型工藝都會對最終產(chǎn)品的成型質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[2]，如何調(diào)整注塑成型工藝參數(shù)來解決建筑用碳纖維復(fù)合材料制品的翹曲小、體積收縮率低和縮痕小的問題，是當(dāng)前碳纖維樹脂基復(fù)合材料在建筑制品中應(yīng)用的關(guān)鍵[3-4]。本文采用正交實驗法考察注塑成型工藝參數(shù)對碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料成型質(zhì)量的影響，結(jié)果有助于高綜合性能和高成型質(zhì)量的碳纖維復(fù)合材料在建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試驗部分

以日本東麗公司T700SC碳纖維（單絲根數(shù)12000、密度1.8g/cm3、纖維直徑7μm、拉伸強度4.9GPa）和北京帕拉姆新型建筑材料有限公司提供的聚碳酸酯（簡稱PC，密度1200kg/m3、拉伸強度66MPa、拉伸模量2500MPa、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度154℃、融化起始溫度220℃）為原料，采用注塑成型工藝制備了碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料，其中，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為10%。

基于碳纖維復(fù)合材料的材料特性，設(shè)計了一種易于翹曲和變形的建筑用薄壁零件（長180mm、寬120mm、高48mm、半圓直徑48mm、厚4mm），并根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的形狀和尺寸，設(shè)計了圖1所示的模具，其中，模具材料為45鋼，形式為一模一腔，具體包括定模底板、定模、動模、支架、動模底板、溫控系統(tǒng)、頂桿和澆口。

圖1 模具示意圖Fig. 1 Mould schematic diagram

為了優(yōu)化注塑成型工藝參數(shù)和研究工藝參數(shù)之間的交互作用對試件成型質(zhì)量的影響，采用4因素4水平的L16（44）正交實驗法考察了熔體溫度、注射壓力、保壓壓力和注射時間對碳纖維復(fù)合材料試件翹曲總變形、體積收縮率和縮痕的影響，具體工藝參數(shù)見表1。

表1 碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的注塑成型正交試驗表Table 1 Orthogonal test table for injection moulding of carbon f iber/polycarbonate matrix composites

2 結(jié)果與討論

表2中列出了碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的注塑成型正交試驗結(jié)果，主要以試件翹曲總變形、體積收縮率和縮痕為考核指標(biāo)。

表2 碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的注塑成型正交試驗結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of injection moulding of carbon f iber/polycarbonate matrix composites

表3中列出了碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料以翹曲總變形為考核指標(biāo)的正交極差分析結(jié)果，R反映了相應(yīng)的注塑成型工藝參數(shù)對翹曲總變形的影響，R越大則表示對應(yīng)的注塑成型工藝參數(shù)對試件翹曲總變形的影響越大，由此可以預(yù)判注塑成型工藝參數(shù)對考核指標(biāo)影響的主次作用[5-6]。從表3的分析結(jié)果可知，對翹曲總變形影響最大的是熔體溫度（A），其次為保壓壓力（C），而注射時間（D）的影響最小。以翹曲總變形為考核指標(biāo)的碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

表3 翹曲總變形極差分析表Table 3 Range analysis table of total warpage deformation

表4中列出了碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料以體積收縮率為考核指標(biāo)的正交極差分析結(jié)果，其中R反映了相應(yīng)的注塑成型工藝參數(shù)對體積收縮率的影響，R越大則表示對應(yīng)的注塑成型工藝參數(shù)對試件體積收縮率的影響越大，由此可以預(yù)判注塑成型工藝參數(shù)對考核指標(biāo)影響的主次作用。從表4的分析結(jié)果可知，對體積收縮率影響最大的是熔體溫度（A），其次為注射壓力（B），而注射時間（D）的影響最小。以體積收縮率為考核指標(biāo)的碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B4C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為185MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

表4 體積收縮率極差分析表Table 4 Volume shrinkage range analysis table

表5列出了碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料以縮痕為考核指標(biāo)的正交極差分析結(jié)果，其中R反映了相應(yīng)的注塑成型工藝參數(shù)對縮痕的影響，R越大則表示對應(yīng)的注塑成型工藝參數(shù)對試件縮痕的影響越大，由此可以預(yù)判注塑成型工藝參數(shù)對考核指標(biāo)影響的主次作用。

表5 縮痕極差分析表Table 5 Scratch range analysis table

從表5的分析結(jié)果可知，對縮痕影響最大的是熔體溫度（A），其次為保壓壓力（C），而注射時間（D）的影響最小。以縮痕為考核指標(biāo)的碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

采用綜合平衡法（先對每個指標(biāo)分別進(jìn)行單指標(biāo)的直觀分析，得到每個指標(biāo)的影響因素主次順序和最佳水平組合，然后根據(jù)理論知識和實際經(jīng)驗，對各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較和分析，得出較優(yōu)方案 [7]）優(yōu)化碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的最佳注塑成型工藝參數(shù)組合為A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

3 結(jié)論

（1）以翹曲總變形為考核指標(biāo)的碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

（2）以體積收縮率為考核指標(biāo)的碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B4C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為185MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

（3）以縮痕為考核指標(biāo)的碳纖維/聚碳酸酯基復(fù)合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。