許 猛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

聚碳酸酯拉伸破壞性能的研究

許 猛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章進(jìn)行了成型工藝條件和實(shí)驗(yàn)條件對(duì)聚碳酸酯拉伸破壞性能影響的研究。結(jié)果表明，降低模具溫度和退火處理有助于提高屈服應(yīng)力；退火和未退火試樣在將要斷裂時(shí)均出現(xiàn)應(yīng)力突然增大的現(xiàn)象。通過(guò)觀察試樣變形區(qū)和斷面附近的表面微裂紋，可以判斷裂紋的擴(kuò)展是通過(guò)裂尖銀紋區(qū)內(nèi)銀紋微纖的相繼斷裂來(lái)完成的，拉伸斷裂主要是由銀紋斷裂引起的。

聚碳酸酯；屈服應(yīng)力；模具溫度；應(yīng)變速率

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-66-04

前言

作為通用工程塑料，聚碳酸酯由于其良好的韌性和較高的強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)領(lǐng)域；特別是其良好的透光性和抗沖擊性能，聚碳酸酯已被廣泛應(yīng)用于汽車燈具和汽車外飾件上。但是由于純料PC的強(qiáng)度相對(duì)于ABS等工程塑料仍然較低、添加增強(qiáng)劑后其透明性又受到影響的原因，使用PC完全代替玻璃仍然只是存在理論階段。這篇文章主要描述在注塑成型制品過(guò)程中不同模具溫度以及后處理等條件下，拉伸破壞（屈服和斷裂）性能的變化，用以獲得較好的成型工藝和后處理?xiàng)l件。

聚合物拉伸實(shí)驗(yàn)是研究聚合物性能最常用的試驗(yàn)方法，通過(guò)它能獲得材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度以及斷裂延伸率等破壞性能。就目前的狀況來(lái)看，通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件來(lái)獲得不同的拉伸性能的微觀機(jī)理的研究已經(jīng)比較透徹，但通過(guò)改變成型過(guò)程的工藝條件來(lái)獲得良好的力學(xué)性能很少被研究；而且工藝條件改變性能機(jī)理的研究能更好的指導(dǎo)生產(chǎn)，更快地實(shí)現(xiàn)科學(xué)工業(yè)化。因此，我們主要對(duì)模具溫度影響聚碳酸酯的破壞性能的機(jī)理進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)后處理?xiàng)l件的影響也進(jìn)行了驗(yàn)證性研究。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品材料

在該實(shí)驗(yàn)中，我們使用由SABIC公司提供的型號(hào)為L(zhǎng)EXAN OQ2720的光學(xué)級(jí)聚碳酸酯。以下是它的部分性能：密度是1.20g/cm3；熔體流動(dòng)指數(shù)（300℃/1.2kg）是7.5g/10min；懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度是908J/m；在1.8MPa（樣品厚度6.40mm）下的熱變形溫度是132℃。PC OQ2720的產(chǎn)品特性：注塑成型。

1.2 試樣制備

首先，將制備樣品的聚碳酸酯顆粒在110℃的溫度下干燥5個(gè)小時(shí)。然后進(jìn)行注塑成型，注射機(jī)各段溫度分別是：一段295℃、二段300℃、三段275℃、四段250℃。成型過(guò)程的工藝參數(shù)如下表：

表1 注塑成型工藝條件

試樣形狀和尺寸按ISO 3167：2002規(guī)定的A型啞鈴狀試樣。主要尺寸有，試樣總長(zhǎng)度：170mm，標(biāo)距：50mm，標(biāo)距內(nèi)試樣寬度：10mm，厚度：4mm。

1.3 退火過(guò)程

在每組試樣中隨機(jī)挑取一半試樣進(jìn)行退火處理，用以進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。退火過(guò)程如下：將挑選好的試樣加熱到120℃，并保持兩個(gè)小時(shí)，然后以0.5℃/min的速度在加熱爐內(nèi)緩慢冷卻至室溫。我們將經(jīng)過(guò)上述處理的試樣叫做退火試樣。

1.4 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)依照的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)ASTM D 638-72，我們使用實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)每組試樣（包括退火試樣和未退火試樣）進(jìn)行了拉伸速度為50mm/min的拉伸試驗(yàn)。所有的實(shí)驗(yàn)都是在室溫下進(jìn)行的，并且每組試樣都至少進(jìn)行三次試驗(yàn)并對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以得到拉伸（真）應(yīng)力應(yīng)變曲線、拉伸屈服應(yīng)力、拉伸斷裂應(yīng)力和斷裂伸長(zhǎng)率等拉伸性能。

2、結(jié)果及分析

2.1 模具溫度對(duì)拉伸屈服應(yīng)力的影響

圖1（a）和（b）分別顯示了拉伸屈服應(yīng)力隨模具溫度的變化趨勢(shì)。如圖所示，從總體上看，所有的退火試樣的拉伸屈服應(yīng)力隨著模具溫度的升高而減小，但在90℃的模具溫度附近都出現(xiàn)了一個(gè)折點(diǎn)，即在此模溫附近處的變化規(guī)律與總體趨勢(shì)不一致；對(duì)于所有的未退火試樣，屈服應(yīng)力變化的總體趨勢(shì)是增大的，但在模溫90℃處也出現(xiàn)了不同的變化，即在此處的增大幅度較小。從模具溫度對(duì)屈服應(yīng)力的影響程度上來(lái)看，退火試樣的變化幅度較未退火試樣要大一些。

圖1 退火試樣（a）和未退火試樣（b）的拉伸屈服應(yīng)力與模具溫度的關(guān)系曲線圖

自由體積理論認(rèn)為外力的作用導(dǎo)致自由體積的增加，鏈段的活動(dòng)性進(jìn)而增加，從而導(dǎo)致屈服。F.Rouabah等人進(jìn)行了大量的淬火對(duì)聚碳酸酯力學(xué)性能的研究，他們認(rèn)為淬火過(guò)程中較快的冷卻速度引起較大的殘余應(yīng)力和較高的自由體積，進(jìn)而影響PC的力學(xué)性能（包括沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、屈服應(yīng)力和彈性模量等）。

在成型制品過(guò)程中，模具溫度的影響是兩方面的。首先，在聚碳酸酯熔體充滿模腔后的保壓固化階段，試樣從熔體溫度295℃降至模具溫度（80℃、90℃、100℃、110℃和120℃）。

此過(guò)程的冷卻速度較快，高聚物分子鏈來(lái)不及重排，以至于形成較大的殘余應(yīng)力和自由體積。同時(shí)，有與聚合物熔體流動(dòng)引起的取向也被凍結(jié)在材料內(nèi)部。其次是制品在模具內(nèi)部的冷卻過(guò)程。此過(guò)程的冷卻速度緩慢，聚合物分子鏈還可以進(jìn)一步松弛，有減小保壓階段形成的殘余應(yīng)力、取向和自由體積的作用，我們稱此過(guò)程為“自退火”。但是“自退火”作用微小，可以忽略。

很明顯，冷卻速度較快（模溫80℃的冷卻速度最快），所形成的殘余應(yīng)力、自由體積和取向也就較大。退火試樣由于消除了內(nèi)部殘余應(yīng)力和取向的影響，因此屈服應(yīng)力隨模具溫度變化的總體趨勢(shì)是減小的。對(duì)于未退火試樣，由于殘余應(yīng)力（可以認(rèn)為是制品內(nèi)部的取向分子鏈的收縮力）和流動(dòng)方向（與拉伸方向一致）能夠提高拉伸屈服應(yīng)力，且它們的影響超過(guò)了自由體積的影響，所以退火試樣的拉伸屈服應(yīng)力變化趨勢(shì)是升高的。

對(duì)于所有試樣，特別是退火試樣，曲線在90℃的模溫附近都有一個(gè)明顯的下降。這可能與在90℃附近PC試樣存在某種松弛，導(dǎo)致其自由體積的增加有關(guān)。盧子興、張慧的研究也表明聚碳酸酯在70--100℃之間存在一個(gè)次級(jí)松弛。本實(shí)驗(yàn)中由于使用油路冷卻，模具內(nèi)部實(shí)際溫度達(dá)不到測(cè)量的油路溫度，因此模具內(nèi)部實(shí)際溫度均低于測(cè)量溫度，但溫度梯度不變，上述說(shuō)明我們的90℃（實(shí)際小于90℃）模溫非常適合70--100℃溫度區(qū)間。

2.2 模具溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

圖2顯示了退火試樣和未退火試樣的拉伸強(qiáng)度隨模具溫度的變化情況。圖中各個(gè)拉伸速度下的拉伸強(qiáng)度沒(méi)有一個(gè)一致的變化趨勢(shì)，并且拉伸強(qiáng)度在各個(gè)模溫處的值浮動(dòng)較小，可以認(rèn)為在正常實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。

圖2 退火試樣（a）和未退火試樣（b）的拉伸強(qiáng)度與模具溫度的關(guān)系曲線圖

在我們的結(jié)果中模具溫度的變化對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響非常微弱，甚至可以忽略。主要是因?yàn)槟＞邷囟鹊淖兓瘜?duì)制品的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響（詳細(xì)見(jiàn)“模具溫度對(duì)拉伸屈服應(yīng)力的影響”部分）。拉伸產(chǎn)生大變形（應(yīng)變軟化、細(xì)頸、應(yīng)變硬化等）的過(guò)程中試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生相當(dāng)大的變化，如分子鏈解纏、取向等變化。由于拉伸產(chǎn)生大變形引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了模溫引起的結(jié)構(gòu)變化，所以在相同的拉伸條件下不同模具溫度的試樣的拉伸強(qiáng)度幾乎相同。

2.3 模具溫度對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響

圖3中的數(shù)據(jù)點(diǎn)以及曲線分別表示了退火試樣和未退火試樣的斷裂延伸率隨模具溫度升高的變化趨勢(shì)。從圖中，無(wú)論是退火試樣還是未退火試樣，我們都可以清晰地看到斷裂延伸率隨著模溫的升高大致呈升高趨勢(shì)，但是都在模溫90℃附近出現(xiàn)一個(gè)不同，即90℃模溫附近的斷裂延伸率均高于相鄰模溫處的斷裂延伸率。這個(gè)現(xiàn)象與退火試樣的屈服強(qiáng)度隨模具溫度的變化規(guī)律相反。與此同時(shí)，我們還觀測(cè)到退火試樣的斷裂伸長(zhǎng)率均比未退火試樣要高。

圖3 退火試樣和未退火試樣的斷裂伸長(zhǎng)率與模具溫度關(guān)系曲線圖

F.Rouabah等人認(rèn)為斷裂伸長(zhǎng)率與自由體積相關(guān)：自由體積越大，斷裂伸長(zhǎng)率越小。的確，自由體積的增加有助于提高分子鏈（段）的活動(dòng)性，增加聚合物材料的韌性。模具溫度的不同意味著溫度梯度的不同，通過(guò)不同的冷卻速率獲得不同的自由體積（詳解見(jiàn)“模具溫度對(duì)拉伸屈服應(yīng)力的影響”部分）。隨著模具溫度的提高，溫度梯度逐漸減小，聚合物內(nèi)部的自由體積就越小，斷裂伸長(zhǎng)率就越大。因此就很容易明白圖7中曲線的大體走勢(shì)。圖示模溫90℃的不同也與在此附近存在一個(gè)次級(jí)轉(zhuǎn)變有關(guān)。

圖4 退火試樣斷裂后的試樣表面

與此同時(shí)，我們也觀察到在細(xì)頸穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)程中所有試樣表面都會(huì)出現(xiàn)大量銀紋，如圖4所示。另外圖6中斷面SEM也顯示，無(wú)論是退火試樣還是未退火試樣，材料發(fā)生斷裂的裂紋源都是在試樣表面的銀紋處。因此可以認(rèn)為試樣拉伸斷裂均是由銀紋斷裂引起的。

圖5 拉斷試樣變形區(qū)域表面的銀紋

仔細(xì)觀察拉斷后的試樣會(huì)發(fā)現(xiàn)在試樣的一個(gè)表面有很多銀紋，如圖4所示。圖示所有區(qū)域的銀紋方向均與拉伸方向相垂直。且只在一側(cè)觀察到銀紋，分布集中在變形部分寬度方向上的中間區(qū)域。圖5是這些銀紋在不同區(qū)域的放大情況。

圖6 退火試樣和未退火試樣在不同拉伸速度下的斷面的掃描電鏡圖（SEM）

如a、d所示，表面銀紋主要集中在中間區(qū)域，這主要是因?yàn)樽⑺艹尚陀捎诰酆衔锸湛s的原因造成的表面凹陷，從而使中間截面較小，中間部分所受應(yīng)力比兩邊稍大，所以銀紋首先并主要在中間區(qū)域產(chǎn)生。b圖顯示了試樣斷口處的銀紋分布，圖中顯示斷口裂紋是由擴(kuò)展的銀紋相互交聯(lián)而成，因此可以推斷斷裂的裂紋源是由引文擴(kuò)展形成的。

3、結(jié)論

通過(guò)改變成型工藝條件和后處理，對(duì)聚碳酸酯的拉伸性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。得到以下結(jié)論：

（1）退火處理除了能夠明顯地增大屈服應(yīng)力外，還能夠使屈服對(duì)應(yīng)變速率的敏感性降低；

（2）在80～120℃模具溫度范圍內(nèi)，模具溫度對(duì)退火和未退火試樣的屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度影響較??；

（3）通過(guò)觀察試樣變形區(qū)和斷面附近的表面微裂紋，可以判斷裂紋的擴(kuò)展是通過(guò)裂尖銀紋區(qū)內(nèi)銀紋微纖的相繼斷裂來(lái)完成的，拉伸斷裂主要是由銀紋斷裂引起的。

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Study on the Tensile Mechanical Property of PC

Xu Meng
( AnHui Jianghuai Automobile Group CORP.LTD. AnHui Hefei 230601 )

The article is studied on the influence of molding process and test conditions to tensile failure. Experimental results show that lower mold temperature and annealing treatment helped to improve the yield stress. When the annealing samples and the not annealing samples would rupture in the last, they appeared suddenly to become more stress the phenomenon. By observing surface microcracks in the specimen deformation zone and near the section, it could determine that the crack propagation was done by successive fracture of crazing microfibrils in the crack tip crazing district, and that tensile fracture was mainly caused by the fracture of the crazing.

Polycarbonate; Yield stress; Mold temperatur; Strain rate

U465.6

：A

：：1671-7988 (2017)07-66-04

許猛，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.028