SMC與PCM組合模壓件的力學性能

賈志欣，劉立君，李繼強，王少峰，彭河

(1.浙大寧波理工學院，浙江寧波 315100； 2.寧波益普樂模塑有限公司，浙江寧波 315615)

復合材料具有密度小、比強度高、比模量大且可設計的優勢，在航空航天、汽車工業、建筑建材和醫學等領域得到廣泛應用[1-4]。玻璃纖維增強樹脂基復合材料具有較低的制造成本和良好的力學性能，是廣泛應用的復合材料[5]，許多學者從材料制備及性能測試角度開展了研究。衛新亮等[6]研究了玻璃纖維增強樹脂基復合材料搭接-縫合后的剪切性能；李德等[7]、李益俊等[8]、張娟等[9]、李寧等[10]分析了玻璃纖維添加量對復合材料結構成型與力學性能的影響；盧軍凱等[11]、劉小祥等[12]、胡章平[13]制備了連續玻璃纖維增強的復合材料并分析了其力學性能；劉闊等[14]采用玻璃纖維增強不飽和聚酯基復合材料，研究了玻纖含量、成型壓力對模壓件的拉伸、沖擊性能的影響，為原料選擇及模壓成型工藝參數確定提供了參考。

目前，玻璃纖維增強復合材料主要有短切玻纖增強片狀模塑料(SMC)和連續玻璃纖維增強環氧樹脂基預壓料(PCM)，吳鳳楠等[15]結合具體模壓成型制品進行了力學性能分析，采用環氧樹脂基短切玻纖增強SMC料與正交網格編織的連續玻璃纖維增強PCM料模壓成型盒子制品，切割了不同部位和取向的試樣，對比分析了拉伸、彎曲性能，發現對應部位PCM料成型的盒子力學性能比SMC料的高3 ～6倍，但PCM料模壓成型的制品拉伸、彎曲性能各向異性顯著。

由于連續玻纖增強PCM料價格高，筆者從優化制品性能、節省成本角度出發，組合使用環氧樹脂基SMC與PCM料，模壓相同的盒型件，研究了其拉伸、彎曲和沖擊性能并總結了規律，并分析了原因，可為復合材料組合選用進行制品模壓生產提供依據。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

SMC：0400 H-14 NAT 01150，玻璃纖維長度25 mm，玻璃纖維質量分數為(29±2)%，律通復合材料(上海)有限公司；

PCM：EV101-UL-40%-EWR400-400gsm，連續玻璃纖維，正交編織，玻璃纖維質量分數為(29±2)%，江蘇恒神股份有限公司。

1.2 主要儀器及設備

液壓機：200T 型，天津市天鍛壓力機有限公司；

萬能試驗機：Zwick/Roell Z030型，德國Zwick公司；

場發射掃描電子顯微鏡(SEM)：FEI QUANTA 250 FEG 型，美國FEI 公司；

3D激光激光掃描顯微鏡：OLS5100型，日本奧林巴斯公司；

超景深顯微鏡：DSX1000型，日本奧林巴斯公司。

1.3 復合材料試驗試樣的制備

分別采用短切玻璃纖維增強的環氧樹脂基SMC料和連續纖維正交編織的環氧樹脂基PCM料組合，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(1.45±0.1) mm，邊緣處壁薄。盒子A的材料用量為0.3 kg的SMC料與0.33 kg的PCM料，盒子B的材料用量為0.33 kg的SMC料與0.39 kg的PCM料。

圖1 SMC+PCM模壓制件外形圖

模壓時先在凸模上鋪好PCM片材，再放置SMC料，按相同的模壓工藝參數制備了A、B兩個盒子；同時制備純SMC料盒子C、純PCM料盒子D用于對比。

針對制備的4個盒型件A，B，C，D，按照GB/T1447-2005、GB/T1449-2005、ISO 179-1-2000的規定，通過數控銑床加工出拉伸、彎曲與沖擊試樣。試樣的切割方案如圖2所示。

圖2 試樣切割圖

按照預定的實驗方案，在如圖2所示的指定位置切割下試驗所需的試樣編號分組，其中8個拉伸試樣，8個彎曲試樣。

拉伸試樣8個，為L1～L8，其中L1～L4平行于盒子長邊x方向，L5，L6平行于短邊y方向，L7，L8為與x軸成45°角方向；彎曲試樣8個，為w1～w8，其中w1～w3平行于盒子長邊x方向；w4和w5平行于盒子短邊y方向，w6，w7和w8為與x軸成45°角方向。

1.4 性能測試

拉伸性能按照GB/T 1447-2005，使用氣動夾具夾緊試樣、引伸計記錄延伸率。設置拉伸速度為2 mm/min，拉伸標距為50 mm；

彎曲性能按照GB/T1449-2005，跨距采用16倍的壁厚，對試樣以2 mm/min的速度進行連續加載；

形貌采用SEM、3D激光激光掃描顯微鏡、超景深顯微鏡進行觀察，環境溫度為20℃，環境濕度為48% RH。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

盒子A、B的復合材料試樣的拉伸強度測試結果與純SMC盒子C、純PCM盒子D的測試結果見表1。

表1 四個模壓成型盒子試樣拉伸強度測試結果 MPa

4個盒子試樣的力學性能均存在差異，表現出一定的各向異性。A，B盒子制件在x向上的拉伸強度在84.6～121.8 MPa，而y向取向試樣的拉伸強度為130.7～186.3 MPa，與x向成45°方向試樣的拉伸強度最低，最低值為65.8 MPa；A，B，C盒子呈現的規律為y方向的試樣拉伸強度最大，其次為x方向試樣，45°方向最低，與文獻[14]的結果相一致；單純使用PCM料的盒子試樣拉伸強度則是x方向的試樣拉伸強度最大，其次為y方向試樣，45°方向最低。

對比4個盒子試樣的拉伸強度看，不同位置和方向試樣的拉伸強度有差別，與單一采用PCM制備試樣的拉伸強度(138.2 ～ 532.8Mpa)、單一采用SMC制備試樣的拉伸強度(61.9 ～ 125.3Mpa)相比，組合使用SMC與PCM后，試樣的拉伸強度優于SMC試樣，低于PCM試樣，拉伸強度值比單一原料在各方向更趨于均勻，特別是在45°方向有較大改善。

由于兩種料組合進行復合模壓，A，B拉伸強度平均值約為單用SMC料的1.5倍，單用PCM料的1/3。

從SMC和PCM不同的配料組合看，盒子B試樣比盒子A試樣的拉伸強度更趨于均勻。

2.2 彎曲性能

盒子A，B試樣的彎曲強度測試結果見表2。分析可以看出，盒子A，B不同位置的試樣彎曲強度為274.7 ～ 390.6 MPa，兩個盒子的45°方向取樣的w7的彎曲強度最低，其余試樣的彎曲強度分布基本一致。盒子A，B在x，y方向試樣比單一用SMC料的C盒子彎曲強度(147.4 ～ 191.9 MPa)高，但比PCM (499.4 ～ 632.8 MPa)稍低。由于兩種料組合進行復合模壓，A、B彎曲強度平均值約為單用SMC料的2倍，單用PCM料的2/3。

表2 四個模壓成型盒子試樣彎曲強度測試結果 MPa

2.3 宏觀玻璃纖維分布分析

為進一步分析導致力學性能差異的原因，從C，D盒子制品上分別截取4 mm左右的片材，在三維激光掃描和超景深顯微鏡下觀察宏觀玻璃纖維分布，結果如圖3所示。從圖3a可看出，SMC料模壓成型后短切玻璃纖維呈簇狀無序分布，方向不定，這就造成其拉伸和彎曲性能在不同取樣位置和方向的性能有差異；從圖3b可看出，PCM料在模壓成型后，連續的玻璃纖維保持正交網格分布，因此力學性能在沿纖維分布的方向優異，但在45°方向薄弱。

圖3 試樣的宏觀玻璃纖維分布

2.4 微觀斷口形貌分析

為進一步分析斷裂性質，分別對SMC試樣和PCM試樣斷口進行了SEM分析，結果如圖4所示。

圖4 試樣的SEM斷口形貌

由圖4a可看出，SMC試樣斷口既有散亂的玻璃纖維脆性斷裂，也有玻璃纖維從基體樹脂的剝離。純SMC盒子試樣中的玻璃纖維呈現簇狀無序分布，沒有明顯的方向性，在45°和x方向的拉伸性能相差不大；但在模壓成型流動過程中，位于y方向部位的兩個試樣L5和L6，由于樹脂帶動纖維要跨越彎曲角部位，導致纖維在該部位聚集并呈現沿y向分布[16]，造成SMC試樣L5和L6的拉伸強度明顯提高。復材試樣彎曲強度不僅和纖維分布有關，還和試樣表面質量有關，各SMC試樣的彎曲強度相差不大。

由圖4b可看出，PCM試樣由于連續玻璃纖維的正交分布，呈現出斷口的同向一致性脆性斷裂以及與基體樹脂剝離。PCM原料中的玻璃纖維為正交鋪放的連續纖維，由于成型后x方向纖維密度比y方向的纖維密度高，導致x方向的拉伸強度和彎曲強度均大于y方向的，在45°方向為最薄弱，拉伸強度、彎曲強度均低于x，y方向。

當兩種料組合使用后，由于無序分布的短切簇狀玻璃纖維與正交分布的連續玻璃纖維共同作用，拉伸強度與彎曲強度呈現出均勻化的效果，在45°方向尤其顯著。

3 結論

從PCM料與SMC料組合使用模壓盒子制品取樣的拉伸、彎曲性能測試結果表明：

(1) PCM與SMC組合料盒子試樣取自制品的不同位置，拉伸強度有顯著變化，表現出一定的各向異性，呈現的規律為y方向的試樣拉伸強度最大，其次為x方向試樣，45°方向最低；彎曲強度有變化，但變化不大。

(2) 從PCM與SMC組合料盒子試樣的拉伸強度與彎曲強度分析，兩種料組合的模壓制品力學性能優于SMC試樣，但低于PCM試樣；與單用PCM與SMC模壓制品相比，PCM與SMC組合料混合后的力學性能不同位置差距減小，即各向異性差距減小，具有較好的綜合力學性能和成本優勢。

(3)模壓成型后制品中短切玻璃纖維分布、聚集程度和連續正交玻璃纖維分布狀態是導致模壓制品不同位置試樣力學性能差異的主要原因。