楊崇營(yíng)，王 權(quán)，王金榮，杜開(kāi)輝，吳正環(huán)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車模具智能制造技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有高強(qiáng)度、高模量、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。注射成型是碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的重要加工方法[1-2]，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料注射成型工藝簡(jiǎn)單、成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。碳纖維復(fù)合材料注射成型過(guò)程中會(huì)受到強(qiáng)烈的剪切、拉伸和變形，這將導(dǎo)致碳纖維的斷裂和移動(dòng)，表現(xiàn)出一定的長(zhǎng)度分布和方向分布[3-4]。復(fù)合材料在成型過(guò)程中使得材料內(nèi)部分子鏈的排列和原始狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而影響力學(xué)性能[5]。復(fù)合材料熔體的流動(dòng)行為與溫度、壓力和型腔形狀密切相關(guān)，因此產(chǎn)品在不同的成型條件下會(huì)表現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[6]。

目前，市場(chǎng)上主要有長(zhǎng)切碳纖維、短切碳纖維和碳纖維粉末[7]。對(duì)于長(zhǎng)、短切碳纖維，其碳纖維的形態(tài)可以承受高強(qiáng)度的力學(xué)性能[8]，但是對(duì)于復(fù)合材料制品，由于碳纖維表面的靜電吸附影響，難以均勻地混合碳纖維和基體[9]。粉末狀碳纖維的力學(xué)性能低于長(zhǎng)切碳纖維和短切碳纖維的力學(xué)性能，但成本低，成型更容易。注塑成型工藝過(guò)程復(fù)雜，而且工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響也比較顯著[10]。注塑成型的工藝參數(shù)不同，材料的力學(xué)性能就不同[11]，ABS 樹(shù)脂具有良好的耐熱性、耐腐蝕性以及易于各種機(jī)械工藝加工和成型等優(yōu)良的綜合性能[12]。然而目前，國(guó)內(nèi)對(duì)碳纖維粉末增強(qiáng)ABS 復(fù)合材料的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)分析碳纖維粉末增強(qiáng)ABS 復(fù)合材料的力學(xué)性能，研究在不同的注塑條件下碳纖維粉末含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，以期為碳纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

主要原料為ABS：PA-756，臺(tái)灣奇美有限公司生產(chǎn)；碳纖維（carbon fiber，CF）粉末：CJ-CF300，中國(guó)滄州中立新材料科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用雙螺桿擠出機(jī)：BP-8177-Z，東莞寶品精密儀器有限公司生產(chǎn)；注塑成型機(jī)：BOY XS，德國(guó)BOY 公司生產(chǎn)；精密烘箱：KL-DHG-9070-A，東莞市昆侖檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)；高速混合機(jī)：SHR-10A，張家港永利機(jī)械有限公司生產(chǎn)；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：KL-WS-30S，東莞昆侖檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3 樣品制備

先將ABS 顆粒在80 ℃的烘箱中干燥2 h，稱取CF 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%，10%和15%，然后在滾筒式攪拌器中與CF 粉末預(yù)混5 min，將預(yù)混合的原料加入到雙螺桿擠出機(jī)中（螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min，各區(qū)溫度分別為200 ℃、220 ℃、240 ℃、240 ℃、240 ℃、240 ℃）。將擠出的復(fù)合材料在水槽冷卻并使用造粒機(jī)切成粒料。在不同的工藝參數(shù)下，注塑成型拉伸樣條試樣。成型拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 成型拉伸試樣尺寸

實(shí)驗(yàn)選取熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、注射壓力4 個(gè)參數(shù)，注塑成型工藝參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 注塑成型工藝參數(shù)設(shè)定

1.4 性能檢測(cè)

力學(xué)性能測(cè)試：拉伸性能和斷裂伸長(zhǎng)率按GB/T1040—2006 進(jìn)行測(cè)試，采用啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣，拉伸速度為10 mm/min。每個(gè)注塑成型工藝參數(shù)下做3 次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)取其平均值，并計(jì)算相對(duì)誤差。

2 結(jié)果與討論

2.1 模具溫度的影響

模具溫度對(duì)不同CF 含量ABS/CF 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響如圖2所示。

從圖2（a）和（b）可知，試樣的拉伸強(qiáng)度隨著CF 含量的增加而增大，但試樣的拉伸強(qiáng)度隨模具溫度的升高而降低。模具溫度為60 ℃，CF 含量為15%時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度最大為38.3 MPa，增加了10.1%。隨著CF含量的不斷增加，復(fù)合材料的楊氏模量逐漸增大。模具溫度為60 ℃時(shí)，增加的幅度最大，CF 含量從0 增加到15%時(shí)，楊氏模量從1 129 MPa 增加到2 189 MPa。在CF 含量分別為0、5%、15%時(shí)，楊氏模量隨著模具溫度的增加有先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)模具溫度為65 ℃，CF 含量為15%時(shí)，楊氏模量最大，為2 241 MPa。

從圖2（c）可知，ABS/CF 復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨模具溫度的變化而變化，斷裂伸長(zhǎng)率在一定程度上表征了材料的韌性。隨CF 含量增加，ABS/CF 復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率不斷減小。當(dāng)模具溫度為60 ℃時(shí)，減小的幅度最大，從4.7%減小到1.8%。CF 含量在5%和15%時(shí)，隨著模具溫度的增加，斷裂伸長(zhǎng)率有先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)模具溫度為65 ℃，CF 含量為15%時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率最小，為1.69%。不同的模具溫度下，隨著CF 含量的提高，ABS/CF 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量均有增大，斷裂伸長(zhǎng)率不斷下降。這是因?yàn)镃F 粉末的增加，使得基體的韌性降低[13]。模具溫度的升高使其拉伸強(qiáng)度減小，對(duì)純ABS 試樣斷裂伸長(zhǎng)率影響較大，而對(duì)復(fù)合材料影響較小。

2.2 保壓壓力的影響

保壓壓力對(duì)不同CF 含量復(fù)合材料力學(xué)性能的影響如圖3所示。從圖3（a）可以看出，保壓壓力對(duì)不同CF 含量復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。在保壓壓力為120 MPa 時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度隨CF 含量的增加而增大。碳纖維含量在5%和15%時(shí)，隨著保壓壓力的增加，拉伸強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)CF 含量為0 和10%時(shí)，隨著保壓壓力的增加，拉伸強(qiáng)度先減小后增大。當(dāng)CF 含量為10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大，為41.5 MPa。

圖2 模具溫度對(duì)不同CF 含量ABS/CF 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖3（b）可以看出，不同配比ABS/CF 復(fù)合材料的楊氏模量隨保壓壓力變化的趨勢(shì)。當(dāng)CF 含量為0和15%時(shí)，復(fù)合材料的楊氏模量隨著保壓壓力的增加先增大后減小。當(dāng)保壓壓力在120 MPa 時(shí)，楊氏模量隨著CF 含量的增加不斷增大。在保壓壓力為120 MPa和130 MPa 時(shí)，楊氏模量隨著CF 含量的增加先減小后增大。當(dāng)保壓壓力為140 MPa，CF 含量為15%時(shí)，楊氏模量最大，為2 347 MPa。

圖3 保壓壓力對(duì)不同CF 含量ABS/CF 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖3（c）可以看出，不同ABS/CF 復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨保壓壓力的變化情況。隨著CF 含量的增加，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率不斷減小。當(dāng)保壓壓力為120 MPa 時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率減小的幅度最大，從4.47%減小到1.8%，減小幅度為59.7%。隨著保壓壓力的增加，純ABS 試樣斷裂伸長(zhǎng)率減小幅度最大，5%碳纖維含量試樣的斷裂伸長(zhǎng)率隨著保壓壓力的增加略有增大。隨著CF 含量的增加，ABS/CF 復(fù)合材料的楊氏模量有先增加后減小的趨勢(shì)，斷裂伸長(zhǎng)率不斷下降，脆性增加，但拉伸強(qiáng)度受保壓壓力的影響較大，保壓壓力的提高能大幅度提高10%含量的CF 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。

2.3 熔體溫度的影響

熔體溫度對(duì)不同CF 含量ABS/CF 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響如圖4所示。

圖4 熔體溫度對(duì)不同CF 含量ABS/CF 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖4（a）可知，拉伸強(qiáng)度隨CF 含量的增加而增大。當(dāng)CF 含量分別為5%和10%時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度非常接近。當(dāng)CF 含量為15%時(shí)，拉伸強(qiáng)度明顯增大。當(dāng)CF 含量為0 時(shí)，拉伸強(qiáng)度隨熔體溫度的增加而減小。當(dāng)熔體溫度為250 ℃，CF 含量為15%時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大，為38.2 MPa。從圖4（b）可知，不同配比ABS/CF復(fù)合材料的楊氏模量隨熔體溫度變化的趨勢(shì)。當(dāng)熔體溫度為250 ℃和260 ℃時(shí)，楊氏模量隨CF 含量增加而增大。當(dāng)熔體溫度為255 ℃和265 ℃時(shí)，楊氏模量隨CF 含量的增加先減小再增大。CF 含量為10%時(shí)，楊氏模量隨著熔體溫度的升高沒(méi)有明顯的變化，CF 含量為15%時(shí)，有先增大后減小的趨勢(shì)。熔體溫度260 ℃，CF含量為15%時(shí)，楊氏模量最大，為2 350 MPa。從圖4（c）可知，隨著CF 含量的增加，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小。純ABS 試樣斷裂伸長(zhǎng)率最大。當(dāng)CF 含量為15%時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率略有下降，而后隨著熔體溫度的升高略有增加。隨著熔體溫度的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有先減小后增大的趨勢(shì)；隨著CF 含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和剛性有所增加，但韌性減小。

2.4 注射壓力的影響

注射壓力對(duì)不同CF 含量ABS/CF 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響如圖5所示。

圖5 注射壓力對(duì)不同CF 含量ABS/CF 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖5（a）可知，拉伸強(qiáng)度隨CF 含量的增加而增大，拉伸強(qiáng)度隨注射壓力的增加而減小。當(dāng)CF 含量為10%時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度先增大，然后拉伸強(qiáng)度隨注射壓力的增加而減小。當(dāng)CF 含量為15%時(shí)，拉伸強(qiáng)度向相反方向變化，拉伸強(qiáng)度最大為38.2 MPa。

從圖5（b）可知，楊氏模量隨CF 含量的增加而增大。當(dāng)CF 含量為5%時(shí)，試樣的楊氏模量隨注射壓力的增加先增大后減小。當(dāng)CF 含量為10%時(shí)，楊氏模量向相反方向變化。當(dāng)CF 含量為15%時(shí)，楊氏模量略有增加，然后隨注射壓力增加略有減小，其中純ABS 試樣增加的幅度最大，楊氏模量最大為2 243 MPa。

從圖5（c）可知，斷裂伸長(zhǎng)率隨著CF 含量的增加而減小。當(dāng)CF 含量為10%時(shí)，試樣的斷裂伸長(zhǎng)率先增大后隨注射壓力的增加而減小，當(dāng)CF 含量為5%時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率向相反方向變化。CF 含量為0 時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率隨注射壓力的增加迅速減小，而后略有增大。在不同注射壓力下，ABS/CF 復(fù)合材料隨著CF 含量的增加，拉伸強(qiáng)度和楊氏模量均有不同程度的增大，且斷裂伸長(zhǎng)率明顯減小，韌性變差。

3 結(jié) 論

（1）隨著CF 含量的增加，ABS/CF 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量逐漸增大；復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率則隨著CF 含量的增加而減小。

（2）通過(guò)注塑成型，4 個(gè)工藝參數(shù)——模具溫度、保壓壓力、熔體溫度和注射壓力均對(duì)純ABS 試樣的斷裂伸長(zhǎng)率影響較大。保壓壓力140 MPa 與保壓壓力120 MPa 相比，純ABS 試樣的斷裂伸長(zhǎng)率減小幅度最大，減小了36.7%。CF 含量為10%時(shí)，保壓壓力的增加極大地提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。保壓壓力為150 MPa，CF 含量為10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大，為41.5 MPa。模具溫度、熔體溫度和注射壓力對(duì)ABS/CF 復(fù)合材料的拉伸性能影響幅度較小。