SMC 與PCM 復合材料模壓件力學性能

吳鳳楠，劉闊，賈志欣，李繼強，劉立君，王少峰，彭河

(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.寧波益普樂模塑有限公司，浙江寧波 315615)

復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、航空航天及建材領域展現(xiàn)出良好的應用前景[1–3]。復合材料的制備、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，裁剪出相應質量和形狀的SMC 片材；在模具預熱完成后，將片材鋪覆于模具下模表面，進行合模加壓，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制件，再將預制件置入預熱后的模具進行合模加壓獲得制件。PCM 工藝適合用于復雜結構制件的成型，且具有生產(chǎn)效率高、制品尺寸誤差小等特點。

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

1 實驗部分

1.1 主要原材料

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

PCM 復 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 的速度進行勻速加載，當試樣發(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 進行斷面形貌表征。

2 結果與討論

2.1 復合材料拉伸性能測試結果及分析

(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)拉伸性能測試結果。

SMC 制件的拉伸性能測試結果見表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到了125.3 MPa。同時可以看到位于制件邊緣的試樣其力學性能略低于位于制件頂部的試樣。

PCM 拉伸性能測試結果見表2。

表1 SMC 制件拉伸性能測試結果

表2 PCM 拉伸性能測試結果

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 復合材料彎曲性能測試結果及分析

(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，設曲線的函數(shù)表達式為f(x)，則f(x)的導數(shù)[f′(x)]隨著橫坐標的增大而減小，因材料的彎曲彈性模量與曲線的導數(shù)即f′(x)正相關，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 制件的彎曲力學性能顯著優(yōu)于SMC。

(2)彎曲性能測試結果。

SMC 制件與PCM 制件的彎曲性能測試結果見表3、表4。

表3 SMC 制件彎曲性能測試結果

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)則結構的連續(xù)纖維預制件成型，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 試樣力學性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性。