超聲輔助注射成形碳纖維增強(qiáng)聚丙烯制件性能研究

劉 瑩 陳 越 趙雪利 于同敏 祝鐵麗

1.大連理工大學(xué)模塑制品教育部工程研究中心,大連,1160242.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,大連,116024

0 引言

注射成形以生產(chǎn)效率高,成形制件尺寸精密、結(jié)構(gòu)與形狀復(fù)雜之優(yōu)勢(shì),在聚合物材料成形加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-3]。然而,實(shí)際應(yīng)用研究表明,受成形工藝條件等多種因素影響,注射成形制件的力學(xué)性能遠(yuǎn)未達(dá)到按材料自身理論計(jì)算所具有的強(qiáng)度[4],因而無(wú)法滿足不同工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茏⑸渲萍膽?yīng)用需求。為此,研究人員從材料性能及成形工藝條件等方面,采用多種方法進(jìn)行了廣泛的研究,并取得了積極的進(jìn)展,如在聚合物材料中添加各種纖維或在注射成形過(guò)程中施加不同振動(dòng)場(chǎng)等方法都取得了較好的效果。其中,在注射成形過(guò)程中施加高頻超聲振動(dòng)外場(chǎng),不僅能夠降低充模流動(dòng)熔體的黏度從而提高流動(dòng)性能,還有助于促進(jìn)制件內(nèi)部分子生成更多的結(jié)晶和取向態(tài)結(jié)構(gòu),從而提高制件的力學(xué)性能[5]。ADAM等[6]對(duì)超聲輔助薄壁制件注射工藝進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,超聲振動(dòng)可以增強(qiáng)模具溫度、注射壓力等工藝參數(shù)對(duì)成形制件的作用效果。LI等[7]研究了不同超聲功率對(duì)聚合物熔體流動(dòng)速率和制件力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,超聲振動(dòng)通過(guò)降低熔體黏度和增大流動(dòng)速率可顯著提高制件的拉伸彈性模量,使其不易變形或斷裂。YANG等[8]通過(guò)在模具中直接將超聲振子作用于熔體,研究了超聲輔助注射成形條件下聚合物熔體的流動(dòng)行為,結(jié)果表明,超聲波能量能夠改善熔體的流動(dòng)特性,降低分子取向和高剪切效應(yīng)。

碳纖維因具有較高的比強(qiáng)度和剛度以及較小的質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于聚合物復(fù)合材料[9-12]。研究表明,在聚丙烯(polypropylene, PP)聚合物材料中添加不同含量的碳纖維,能使聚丙烯復(fù)合材料的性能得到明顯提高。JUNAEDI 等[13]研究了短碳纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中碳纖維含量變化引起的韌脆轉(zhuǎn)變行為,結(jié)果表明,隨著短碳纖維含量的增加,注射成形制件的拉伸模量和強(qiáng)度均增大,斷裂應(yīng)變值隨短碳纖維含量的增加迅速非線性下降。REZAEI等[14]研究了碳纖維長(zhǎng)度對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚丙烯(carbon fiber reinforced polypropylene, CFPP)制件力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,制件的強(qiáng)度、剛度、硬度、抗沖擊性能均隨碳纖維長(zhǎng)度的增加而增大。TIAN等[15]研究了碳纖維對(duì)CFPP復(fù)合材料結(jié)晶性能和力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明,碳纖維可作為聚丙烯的非均相成核劑,降低結(jié)晶過(guò)程中的活化能,促進(jìn)聚丙烯的結(jié)晶,碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度比純聚丙烯制件提高100%以上。

本文利用課題組自行設(shè)計(jì)制造的帶有超聲振動(dòng)系統(tǒng)的注射模具,成形了添加20% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))碳纖維的增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料制件,并結(jié)合X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)分析、拉伸測(cè)試,研究了超聲功率和模具溫度、聚合物熔體溫度、注射壓力的變化對(duì)成形制件的結(jié)晶度與添加纖維的取向及制件拉伸性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 制件和材料

按照GB/T1040—2006設(shè)計(jì)了帶有啞鈴形試樣的殼體制件,結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。成形后將啞鈴形試樣切離。實(shí)驗(yàn)所使用的材料為碳纖維20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CFPP,牌號(hào)H1020CF,江蘇新孚達(dá)復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)。其中碳纖維材料的密度為1.80 g/cm3,平均長(zhǎng)度為3～6 mm。

圖1 制件尺寸圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用日本住友公司的SE100EV-C360型注射機(jī)。超聲輔助注射模具系統(tǒng)原理如圖2所示。超聲波發(fā)生器由上海生析超聲有限公司定制,超聲功率在0～1000 W范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),額定輸出頻率為25 kHz。

圖2 超聲輔助注射成形原理示意圖

1.3 工藝參數(shù)設(shè)置

通過(guò)分析CFPP材料物理性能參數(shù),結(jié)合Moldflow模流分析仿真結(jié)果,設(shè)置注射成形基準(zhǔn)工藝參數(shù)如表1所示。注射工藝參數(shù)及超聲功率變量取值如表2所示。施加超聲作用時(shí)間為11 s,保壓時(shí)間為6 s,冷卻時(shí)間為30 s。

表1 基準(zhǔn)工藝參數(shù)

表2 變化工藝參數(shù)與取值

1.4 性能表征

(1)XRD分析。在啞鈴形試樣中部截取10 mm長(zhǎng)度作為試樣,進(jìn)行試件的XRD分析與結(jié)晶度計(jì)算。測(cè)試儀器采用日本理學(xué)Dmax-2400全自動(dòng)Cukα1靶X射線衍射儀,掃描角度為5°～50°,掃描速度為5°/min。

(2)SEM分析。將啞鈴形試樣用液氮進(jìn)行脆斷處理,平行于斷面截取3 mm,利用Q150T ES型真空鍍膜儀對(duì)斷面進(jìn)行噴金處理,采用QUANTA 450型鎢絲燈掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。

(3)拉伸性能測(cè)試。使用美國(guó)Instron G5965拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為20 mm/min。對(duì)每組實(shí)驗(yàn)參數(shù)下成形的試樣取連續(xù)成形的5個(gè)樣件進(jìn)行測(cè)試,取算術(shù)平均值作為該組參數(shù)下的拉伸強(qiáng)度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同超聲功率和模具溫度變化對(duì)制件性能的影響

2.1.1凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)

對(duì)在不同超聲功率條件下通過(guò)改變模具溫度的注射成形實(shí)驗(yàn)獲得的CFPP制件進(jìn)行XRD分析,并利用MDI Jade 6.5軟件進(jìn)行擬合計(jì)算,得到的結(jié)晶度變化見(jiàn)圖3。圖3曲線顯示,不加超聲振動(dòng)(即超聲功率為0)和施加不同超聲功率條件下,制件的結(jié)晶度均隨模具溫度升高而增大,并在模具溫度升高到60 ℃時(shí)達(dá)到最大值,之后則開(kāi)始下降;同時(shí)當(dāng)模具溫度低于50 ℃時(shí),制件結(jié)晶度隨模具溫度升高而增加的幅度較大,模具溫度超過(guò)50 ℃后結(jié)晶度增幅減小;而當(dāng)模具溫度升高到60 ℃時(shí),其結(jié)晶度又開(kāi)始下降。由此可見(jiàn),低模具溫度時(shí)施加超聲振動(dòng),有利于制件內(nèi)部生成更多的結(jié)晶結(jié)構(gòu);而高模具溫度時(shí)由于熔體分子自身的活性較高,此時(shí)再疊加上超聲振動(dòng)能量,會(huì)使熔體分子的運(yùn)動(dòng)活性進(jìn)一步增大,激烈的分子熱運(yùn)動(dòng)會(huì)阻礙晶核的形成和晶體生長(zhǎng),因而其結(jié)晶度增加值較小。同時(shí),圖3曲線還顯示,施加超聲振動(dòng)時(shí)制件的結(jié)晶度明顯大于不加超聲振動(dòng)時(shí)制件的結(jié)晶度,但不同超聲功率時(shí),制件的結(jié)晶度增加值不同。其中,施加600 W超聲功率時(shí),不同模具溫度下制件的結(jié)晶度增加值最大,300 W超聲功率時(shí)次之,900 W超聲功率時(shí),制件結(jié)晶度增加值最小,甚至在模具溫度高于55 ℃之后,制件的結(jié)晶度還小于不加超聲振動(dòng)的值。這表明制件成形時(shí),施加中低功率的超聲振動(dòng)帶來(lái)的超聲能量增加有利于降低熔體黏度,提高流動(dòng)性,同時(shí)超聲波的高頻剪切能夠減少充模流動(dòng)過(guò)程中聚合物分子鏈間的纏結(jié)、卷曲等作用,使分子規(guī)整排列生成更多的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。但施加的超聲功率過(guò)高時(shí),高頻強(qiáng)剪切作用會(huì)破壞已形成的晶體結(jié)構(gòu),加劇熔體內(nèi)部分子鏈與碳纖維排布的無(wú)序性,因此其結(jié)晶度會(huì)減小。

圖3 不同超聲功率下CFPP制件結(jié)晶度隨模具溫度變化曲線

tm=30 ℃ tm=50 ℃ tm=70 ℃(a)不施加超聲振動(dòng)

tm=30 ℃ tm=50 ℃ tm=70 ℃(b)施加300 W超聲振動(dòng)

tm=30 ℃ tm=50 ℃ tm=70 ℃(c)施加600 W超聲振動(dòng)

tm=30 ℃ tm=50 ℃ tm=70 ℃(d)施加900 W超聲振動(dòng)圖4 不同超聲功率下改變模具溫度制件斷面SEM照片

超聲振動(dòng)能量不僅能夠增加熔體分子運(yùn)動(dòng)活性,降低熔體黏度,提高充模流動(dòng)能力,同時(shí)熔體的流動(dòng)剪切與超聲振動(dòng)作用還促進(jìn)了流動(dòng)中卷曲纏結(jié)的分子鏈發(fā)生解纏伸展,從而形成分子取向形態(tài),而長(zhǎng)鏈分子取向的同時(shí)又相互拉扯或拖拽著彌散于熔體分子中的碳纖維隨同流動(dòng)分子形成取向形態(tài)。圖4所示的制件斷面SEM照片顯示,制件中的碳纖維大多是平行于熔體流動(dòng)方向分布的,與分子鏈取向方向一致。其中超聲功率600 W時(shí),不同模具溫度下制件中的碳纖維取向程度最高;而超聲功率900 W時(shí)制件中的碳纖維取向程度最差,與不加超聲振動(dòng)時(shí)相當(dāng)。這表明模具溫度一定時(shí),過(guò)大的超聲功率及其產(chǎn)生的振動(dòng)作用會(huì)使具有較好流動(dòng)性的聚合物熔體及碳纖維受到較大的機(jī)械振蕩,不利于熔體分子和碳纖維在流動(dòng)中保持穩(wěn)定的取向形態(tài);同時(shí),注射成形保壓和冷卻過(guò)程亦會(huì)加大解取向程度,故施加過(guò)大的超聲振動(dòng)作用反而使制件的結(jié)晶度減小。

2.1.2拉伸強(qiáng)度

對(duì)不同超聲功率下成形的CFPP制件進(jìn)行拉伸測(cè)試,不同模具溫度下的制件拉伸強(qiáng)度變化曲線見(jiàn)圖5。圖5中曲線顯示,制件拉伸強(qiáng)度隨模具溫度升高的變化趨勢(shì)與圖3所示的制件結(jié)晶度隨模具溫度變化趨勢(shì)相似。不同之處在于,不加超聲振動(dòng)和施加300 W超聲功率時(shí),制件的拉伸強(qiáng)度隨著模具溫度升高而呈近似線性增加趨勢(shì);而施加600 W超聲功率時(shí),制件拉伸強(qiáng)度隨模具溫度升高先是大幅增加,在模具溫度50 ℃時(shí)增幅達(dá)到10.36%,之后增幅減小,在模具溫度升高到60 ℃之后,拉伸強(qiáng)度又開(kāi)始減小;超聲功率增大到900 W時(shí),在模具溫度低于50 ℃時(shí),制件拉伸強(qiáng)度呈快速增加趨勢(shì),但其增加值小于超聲功率300 W和600 W時(shí)的值,而當(dāng)模具溫度升高到50 ℃之后,制件拉伸強(qiáng)度又開(kāi)始快速下降?？梢?jiàn)采用50 ℃模具溫度、施加600 W超聲功率時(shí),能夠獲得最大的制件拉伸強(qiáng)度。圖3所示的制件結(jié)晶度測(cè)試結(jié)果以及圖4所示的制件內(nèi)部碳纖維的取向程度分布也顯示,此時(shí)的制件結(jié)晶度和碳纖維的取向程度都為較高值,因而制件的拉伸強(qiáng)度較大。

圖5 不同超聲功率下CFPP制件拉伸強(qiáng)度隨模具溫度變化曲線

2.2 不同超聲功率和聚合物熔體溫度變化對(duì)制件性能的影響

2.2.1凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)

對(duì)在不同超聲功率條件下通過(guò)改變?nèi)垠w溫度的成形實(shí)驗(yàn)得到的CFPP制件進(jìn)行XRD分析及結(jié)晶度計(jì)算,得到的結(jié)果見(jiàn)圖6,可見(jiàn),無(wú)論是否施加超聲振動(dòng),制件的結(jié)晶度均隨熔體溫度的升高而減小。這是由于熔體溫度越高,聚合物分子的活性越大,其分子熱運(yùn)動(dòng)也越劇烈,因而難以形成穩(wěn)定的晶核,或使已形成的初始晶核也不易穩(wěn)定地生長(zhǎng)為晶體;同時(shí)熔體溫度升高會(huì)使其黏度下降,導(dǎo)致流動(dòng)剪切作用減弱,分子鏈取向程度降低,晶核數(shù)量減少,因而結(jié)晶度減小。高熔體溫度再疊加超聲振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步加劇分子熱運(yùn)動(dòng)和纏結(jié)卷曲,不利于晶核的形成和晶體生長(zhǎng),但不同熔體溫度下施加300 W和600 W超聲功率時(shí),制件的結(jié)晶度明顯高于不加超聲振動(dòng)的結(jié)晶度。600 W超聲功率時(shí),制件結(jié)晶度最大;而施加900 W超聲功率時(shí),制件結(jié)晶度值與不加超聲振動(dòng)時(shí)相當(dāng)。

圖6 不同超聲功率下CFPP制件結(jié)晶度隨熔體溫度變化曲線

由圖7所示的CFPP制件斷面SEM照片也可以看出,施加600 W超聲功率時(shí),不同熔體溫度下制件中的碳纖維取向程度也較高。

2.2.2拉伸強(qiáng)度

不同超聲振動(dòng)功率條件下的CFPP制件拉伸強(qiáng)度隨著聚合物熔體溫度的變化曲線見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn),制件拉伸強(qiáng)度隨熔體溫度升高的變化趨勢(shì)與圖6所示的制件結(jié)晶度隨熔體溫度變化趨勢(shì)相似,即拉伸強(qiáng)度隨熔體溫度的升高而減小。但施加超聲振動(dòng)后制件的拉伸強(qiáng)度明顯大于未施加超聲振動(dòng)的制件,且超聲功率600 W時(shí),制件的拉伸強(qiáng)度增加明顯。圖7所示的制件斷面SEM照片也顯示,600 W超聲功率時(shí),制件中的碳纖維取向及分布情況較好,因而拉伸強(qiáng)度較大?？梢?jiàn)不同熔體溫度下,施加600 W超聲功率時(shí),制件內(nèi)部的結(jié)晶度和碳纖維取向程度均較高,因此制件的拉伸強(qiáng)度較大。

tr=210 ℃ tr=230 ℃ tr=250 ℃(a)不施加超聲振動(dòng)

tr=210 ℃ tr=230 ℃ tr=250 ℃(b)施加300 W超聲振動(dòng)

tr=210 ℃ tr=230 ℃ tr=250 ℃(c)施加600 W超聲振動(dòng)

tr=210 ℃ tr=230 ℃ tr=250 ℃(d)施加900 W超聲振動(dòng)圖7 不同超聲功率下改變?nèi)垠w溫度制件斷面SEM照片

圖8 不同超聲功率下CFPP制件拉伸強(qiáng)度隨熔體溫度變化曲線

2.3 不同超聲功率和注射壓力變化對(duì)制件性能的影響

2.3.1凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)

在施加不同超聲功率條件下通過(guò)改變注射壓力的成形實(shí)驗(yàn)得到的CFPP制件結(jié)晶度變化曲線見(jiàn)圖9。從圖9中可以看出,未施加超聲振動(dòng)時(shí),制件的結(jié)晶度隨注射壓力增大而不斷增加,并在注射壓力增大到90 MPa時(shí),制件結(jié)晶度達(dá)到最大值38.16%。這是由于不加超聲振動(dòng)時(shí),增大注射壓力產(chǎn)生的剪切流動(dòng)會(huì)使熔體中纏結(jié)卷曲的分子鏈發(fā)生解纏結(jié)與伸展取向,從而誘導(dǎo)或加速晶核的生成;且注射壓力越大,剪切作用越強(qiáng),取向分子鏈越多,產(chǎn)生的晶核也越多;同時(shí),強(qiáng)烈的剪切流動(dòng)產(chǎn)生的分子鏈間摩擦熱也會(huì)加快分子鏈構(gòu)象的調(diào)整,促進(jìn)晶核的生成和晶體生長(zhǎng),因此制件結(jié)晶度會(huì)隨注射壓力的增大而持續(xù)增加。

圖9 不同超聲功率下CFPP制件結(jié)晶度隨注射壓力變化曲線

施加不同超聲功率時(shí)的制件結(jié)晶度變化曲線則表現(xiàn)為,隨注射壓力的增大結(jié)晶度呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。注射壓力較小時(shí),熔體流動(dòng)性差,充模流動(dòng)過(guò)程受到的剪切效應(yīng)弱,此時(shí)加入超聲振動(dòng)對(duì)分子鏈起到活化作用,提高了熔體的流動(dòng)性,使分子鏈易于產(chǎn)生取向排列,有利于其形成晶核并生長(zhǎng)為晶體,從而增大結(jié)晶度;而當(dāng)注射壓力增大時(shí),熔體流動(dòng)速度明顯加快,熔體所受剪切效應(yīng)較大,施加超聲振動(dòng)作用又會(huì)產(chǎn)生較大的剪切熱,使分子鏈松弛過(guò)快,從而使結(jié)晶度減小。如施加300 W和900 W超聲功率時(shí),制件結(jié)晶度均在注射壓力增大到70 MPa時(shí)分別達(dá)到最大值39.61%和37.34%,之后便開(kāi)始快速減小;而施加600 W超聲功率時(shí),制件的結(jié)晶度則是在注射壓力增大到80 MPa時(shí)達(dá)到最大值41.01%,之后開(kāi)始快速減小?？梢?jiàn)施加600 W超聲功率時(shí),不同注射壓力下的制件結(jié)晶度值最大,這表明施加600 W超聲功率產(chǎn)生的超聲能量與注射壓力產(chǎn)生的流動(dòng)剪切作用相互疊加,更適合晶核的生成與晶體的生長(zhǎng);而施加900 W超聲功率時(shí),由于過(guò)高的超聲能量使得分子鏈的運(yùn)動(dòng)活性大大增強(qiáng),劇烈的分子熱運(yùn)動(dòng)破壞了流動(dòng)剪切形成的分子鏈取向形態(tài),導(dǎo)致更多的取向分子鏈發(fā)生解取向,從而阻礙了晶核的生成和晶體的生長(zhǎng),因此制件結(jié)晶度會(huì)減小;且超聲功率越大,注射壓力越大,剪切作用越強(qiáng),結(jié)晶度減小越多。

增大注射壓力在驅(qū)使熔體流動(dòng)并使分子鏈產(chǎn)生剪切取向的同時(shí),也會(huì)促使彌散于熔體中的碳纖維沿流動(dòng)方向形成取向形態(tài);而超聲能量及其剪切振動(dòng)效應(yīng)與流動(dòng)剪切作用的相互疊加則進(jìn)一步增大了流動(dòng)分子及碳纖維的取向程度。圖10所示的不加或施加不同超聲功率的制件斷面SEM照片顯示,隨著注射壓力的增大,制件中的碳纖維大都沿著熔體流動(dòng)方向形成取向態(tài)分布。不加超聲振動(dòng)時(shí),當(dāng)注射壓力較大時(shí),制件中的碳纖維取向分布較多;而施加超聲振動(dòng)時(shí),則在注射壓力相對(duì)較小時(shí),制件中的碳纖維取向分布較多。這是由于當(dāng)注射壓力較大時(shí),流動(dòng)熔體的剪切摩擦熱增加,當(dāng)超聲能量與剪切摩擦熱疊加作用時(shí),會(huì)大大增強(qiáng)分子鏈的運(yùn)動(dòng)活性,活躍的分子熱運(yùn)動(dòng)會(huì)阻礙分子鏈和碳纖維形成取向形態(tài),因此制件中的結(jié)晶度會(huì)減小,取向形態(tài)的碳纖維數(shù)量減少。

p=50 MPa p=70 MPa p=90 MPa(a)不施加超聲振動(dòng)

p=50 MPa p=70 MPa p=90 MPa(b)施加300 W超聲振動(dòng)

p=50 MPa p=70 MPa p=90 MPa(c)施加600 W超聲振動(dòng)

p=50 MPa p=70 MPa p=90 MPa(d)施加900 W超聲振動(dòng)圖10 不同超聲功率下改變注射壓力制件斷面SEM照片

2.3.2拉伸強(qiáng)度

對(duì)不加或施加不同超聲功率的成形實(shí)驗(yàn)得到的CFPP制件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試,獲得的制件拉伸強(qiáng)度隨注射壓力的變化見(jiàn)圖11。由圖11可見(jiàn),不加超聲振動(dòng)時(shí),制件拉伸強(qiáng)度隨注射壓力的增大呈近似線性增加趨勢(shì);而施加不同超聲功率時(shí),制件拉伸強(qiáng)度隨注射壓力的增大均表現(xiàn)為先是較快增大而后緩慢減小的變化趨勢(shì)。不同超聲功率下,拉伸強(qiáng)度開(kāi)始減小時(shí)的注射壓力值不同。如當(dāng)施加300 W和 600 W超聲功率時(shí),制件拉伸強(qiáng)度均在注射壓力達(dá)到80 MPa時(shí)開(kāi)始緩慢下降;而施加900 W超聲功率時(shí),制件的拉伸強(qiáng)度則在70 MPa注射壓力時(shí)便開(kāi)始下降。對(duì)比不同超聲功率下的制件拉伸強(qiáng)度可見(jiàn),相同注射壓力下施加600 W超聲時(shí)的拉伸強(qiáng)度值最大,大于不加超聲振動(dòng)時(shí)的拉伸強(qiáng)度值約9.71%。由圖10的制件斷面SEM照片也可以看出,施加600 W超聲功率時(shí),制件中取向分布的碳纖維數(shù)量較多,因此其拉伸強(qiáng)度最大。

圖11 不同超聲功率下CFPP制件拉伸強(qiáng)度隨注射壓力變化曲線

3 結(jié)論

通過(guò)采用超聲輔助注射成形模具,對(duì)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 的增強(qiáng)聚丙烯(CFPP)材料進(jìn)行不同超聲功率、熔體及模具溫度、注射壓力下的成形實(shí)驗(yàn),并對(duì)獲得的制件進(jìn)行內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)分析及拉伸性能測(cè)試,得到如下結(jié)論:

(1)不同超聲功率和熔體與模具溫度及注射壓力作用下,CFPP制件的拉伸強(qiáng)度與制件內(nèi)部凝聚態(tài)中的結(jié)晶結(jié)構(gòu)數(shù)量及碳纖維的取向程度成正比例關(guān)系,且制件中的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及高度取向的碳纖維數(shù)量越多,制件的拉伸強(qiáng)度就越大;施加超聲振動(dòng)的制件結(jié)晶度和拉伸強(qiáng)度明顯大于不加超聲振動(dòng)時(shí)的結(jié)晶度和拉伸強(qiáng)度。

(2)施加不同超聲功率時(shí),隨熔體及模具溫度和注射壓力變化,制件內(nèi)部的結(jié)晶度和拉伸強(qiáng)度均在超聲功率600 W時(shí)達(dá)到最大值;但施加過(guò)高的超聲功率不僅不能持續(xù)增大制件的結(jié)晶度和拉伸強(qiáng)度,反而會(huì)使結(jié)晶度和拉伸強(qiáng)度減小。

(3)在較低的熔體和模具溫度下,增大注射壓力會(huì)使熔體的流動(dòng)剪切速率和分子鏈及碳纖維的取向程度增大,摩擦熱熱量增多;同時(shí)施加過(guò)高的超聲功率會(huì)使熔體分子因受超聲能量與剪切摩擦熱的疊加作用而活性大增,高活性運(yùn)動(dòng)分子不易形成晶核及晶體的生長(zhǎng),更不利于碳纖維的取向分布,因而制件拉伸強(qiáng)度會(huì)減小。