环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.005

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (2): 26-32.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.005

环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析

赵川涛¹^,²(), 贾志欣²(), 刘立君², 李继强², 张臣臣¹^,², 荣迪¹^,², 高利珍²^,³, 王少峰⁴

^1.浙江大学机械工程学院，杭州 310012
^2.浙大宁波理工学院，浙江宁波 315100
^3.浙江理工大学，杭州 310018
^4.宁波益普乐模塑有限公司，浙江宁波 315615

收稿日期:2023-08-14 出版日期:2024-02-26 发布日期:2024-02-03
通讯作者: 贾志欣（1970—），女，教授，从事复合材料成型工艺优化、模具表面仿生强化研究，jzx@nit.zju.edu.cn
E-mail:chuantao_zhao@zju.edu.cn;jzx@nit.zju.edu.cn
作者简介:赵川涛（1997—），男，硕士研究生，从事复合制件热压⁃注塑一体成型工艺研究，chuantao_zhao@zju.edu.cn
基金资助:
宁波市“科技创新2025”重大专项(2019B10053)

Analysis of influence factors on mechanical properties of epoxy/carbon fiber composite⁃molded products

ZHAO Chuantao¹^,²(), JIA Zhixin²(), LIU Lijun², LI Jiqiang², ZHANG Chenchen¹^,², RONG Di¹^,², GAO Lizhen²^,³, WANG Shaofeng⁴

^1.School of Mechanical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310012，China
^2.Ningbo Tech University，Ningbo 315100，China
^3.Zhejiang Sci?Tech University，Hangzhou 310018，China
^4.Ningbo City EPL Mould & Plastic Co，Ltd，Ningbo 315615，China

Received:2023-08-14 Online:2024-02-26 Published:2024-02-03
Contact: JIA Zhixin E-mail:chuantao_zhao@zju.edu.cn;jzx@nit.zju.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过正交实验研究模压工艺参数对环氧树脂/碳纤维（EP/CF）片状模塑料SMC模压成型制品力学性能的影响，分析了各工艺参数对制品拉伸强度和弯曲强度的影响趋势。通过方差分析，得到工艺参数对于拉伸强度的影响大小为合模速度>模压温度>模压压力>保压时间，工艺参数对于弯曲强度的影响大小为合模速度>模压压力>模压温度>保压时间，同时得到了对拉伸强度和弯曲强度的显著性因素；研究了拉伸破坏模式及失效机理，采用K⁃均值方法并选取典型试样观察，发现环氧树脂与基体的结合程度是影响拉伸强度的原因。

关键词: 环氧树脂/碳纤维片状模塑料, 模压制品, 力学性能, 正交实验, 失效机理

Abstract:

The influence of molding process parameters on the mechanical properties of carbon fiber/epoxy sheet⁃molded products was studied through orthogonal experiments， and the influence trend of various process parameters on their tensile strength and flexural strength was analyzed. The influence of process parameters on the tensile strength was obtained by variance analysis in an increasing order of ： clamping speed > molding temperature > molding pressure > holding time， and the influence of process parameters on bending strength was obtained in an increasing order of： clamping speed > molding pressure > molding temperature>holding time. Moreover， the significance factors affecting the tensile strength and flexural strength were also obtained. The tensile failure mode and failure mechanism were studied， and the typical samples were selected for observation using the K⁃mean method. The results indicated that the bonding degree between the matrix and epoxy resin affected the tensile strength of the molding products.

Key words: epoxy/carbon fiber sheet molding compound, molded product, mechanical property, orthogonal experiment, failure mechanism

中图分类号:

TQ323.5

赵川涛, 贾志欣, 刘立君, 李继强, 张臣臣, 荣迪, 高利珍, 王少峰. 环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 26-32.

ZHAO Chuantao, JIA Zhixin, LIU Lijun, LI Jiqiang, ZHANG Chenchen, RONG Di, GAO Lizhen, WANG Shaofeng. Analysis of influence factors on mechanical properties of epoxy/carbon fiber composite⁃molded products[J]. China Plastics, 2024, 38(2): 26-32.

图/表 14

水平	因素
水平	模压温度/ ℃	模压压力/ kN	保压时间/ s	合模速度/ mm∙s^-1	空列
1	130	400	540	1	1
2	140	500	600	5	2
3	150	600	660	10	3
4	160	700	720	15	4

表1 正交实验因素水平表

Tab.1 Factor level table of the orthogonal test

图1 试样切割方案

Fig.1 Specimen cutting scheme

编号	模压温度/℃	模压压力/kN	保压时间/s	合模速度/mm∙s^-1	$σ t$ /MPa	$σ f$ /MPa	$R t$	$R f$
1	130	400	540	1	182.48	275.61	21.63	22.52
2	130	500	600	5	156.06	387.57	15.64	17.45
3	130	600	660	10	156.28	302.50	16.16	15.89
4	130	700	720	15	158.45	300.35	21.47	16.63
5	140	400	600	10	181.65	299.80	13.54	21.32
6	140	500	540	15	164.06	346.02	14.07	22.03
7	140	600	720	1	189.82	362.57	11.10	19.68
8	140	700	660	5	166.06	404.22	19.32	15.19
9	150	400	660	15	172.23	329.27	21.48	20.36
10	150	500	720	10	175.98	358.85	19.01	19.95
11	150	600	540	5	162.92	382.68	13.46	22.23
12	150	700	600	1	180.00	286.02	15.01	17.59
13	160	400	720	5	175.32	350.53	19.24	16.49
14	160	500	660	1	177.82	362.54	14.32	18.02
15	160	600	600	15	166.23	345.46	21.32	10.03
16	160	700	540	10	162.07	273.78	16.89	17.70

编号	模压温度/℃	模压压力/kN	保压时间/s	合模速度/mm∙s^-1	$σ t$ /MPa	$σ f$ /MPa	$R t$	$R f$
1	130	400	540	1	182.48	275.61	21.63	22.52
2	130	500	600	5	156.06	387.57	15.64	17.45
3	130	600	660	10	156.28	302.50	16.16	15.89
4	130	700	720	15	158.45	300.35	21.47	16.63
5	140	400	600	10	181.65	299.80	13.54	21.32
6	140	500	540	15	164.06	346.02	14.07	22.03
7	140	600	720	1	189.82	362.57	11.10	19.68
8	140	700	660	5	166.06	404.22	19.32	15.19
9	150	400	660	15	172.23	329.27	21.48	20.36
10	150	500	720	10	175.98	358.85	19.01	19.95
11	150	600	540	5	162.92	382.68	13.46	22.23
12	150	700	600	1	180.00	286.02	15.01	17.59
13	160	400	720	5	175.32	350.53	19.24	16.49
14	160	500	660	1	177.82	362.54	14.32	18.02
15	160	600	600	15	166.23	345.46	21.32	10.03
16	160	700	540	10	162.07	273.78	16.89	17.70

表2 正交实验方案及结果

Tab.2 Orthogonal experimental protocol and results

表2 正交实验方案及结果

Tab.2 Orthogonal experimental protocol and results

因素	偏差平方和	自由度	方差	F	显著性
模压温度/℃	323.029	3	107.676	10.665	0.041
模压压力/kN	307.265	3	102.422	10.144	0.044
保压时间/s	128.619	3	42.873	4.246	0.133
合模速度/mm∙s^-1	815.456	3	271.819	26.922	0.011
误差	30.290	3	10.097	—	—

表3 拉伸强度的正交实验方差分析表

Tab.3 Analysis of variance of orthogonal experiments on tensile strength

因素	偏差平方和	自由度	方差	F	显著性
模压温度/℃	2 767.279	3	922.426	2.147	0.273
模压压力/kN	7 235.748	3	2 411.916	5.614	0.095
保压时间/s	2 183.195	3	727.732	1.694	0.338
合模速度/mm·s^-1	12 111.106	3	4 037.035	9.396	0.049
误差	1 288.911	3	429.637	—	—

表4 弯曲强度正交实验方差分析表

Tab.4 Analysis of variance for orthogonal experiments on flexural strength

工艺参数	水平	个案数	拉伸强度（A）		弯曲强度（B）
工艺参数	水平	个案数	均值	显著性	均值	显著性
模压温度/℃	130	4	163.32	0.052	316.51	0.086
	160	4	170.36	0.052	333.08	0.086
	150	4	172.78	0.111	339.21	0.086
	140	4	175.39	0.111	353.15	0.086
模压压力/kN	700	4	166.65	0.403	316.10	0.100
	500	4	168.48	0.403	363.75	0.369
	600	4	168.81	0.403	348.31	0.100
	400	4	177.92	1.000	313.80	0.100
保压时间/s	540	4	167.88	0.052	319.53	0.129
	660	4	168.10	0.052	349.64	0.129
	600	4	170.98	0.052	329.72	0.129
	720	4	174.89	0.052	343.08	0.129
合模速度/mm·s^-1	5	4	165.09	0.180	381.25	1.000
	15	4	165.24	0.180	330.28	0.237
	10	4	168.99	0.180	308.74	0.237
	1	4	182.53	1.000	321.69	0.237

表5 各工艺参数对拉伸强度和弯曲强度影响的邓肯多重比较结果

Tab.5 Duncan multiple comparisons of effects of each process parameter on tensile and flexural strength

图2 拉伸强度和弯曲强度随各工艺参数的变化

Fig.2 Variation of tensile strength and bending strength with each process parameter

图3 不同K值下的平均轮廓系数

Fig.3 Average profile coefficient under different K values

图4 不同簇下样本的轮廓值

Fig.4 Profile values of the samples under different clusters

图5 聚类分析结果

Fig.5 Cluster analysis results

簇内样本	模压温度/℃	模压压力/kN	保压时间/s	合模速度/mm·s^-1	A板拉伸强度/MPa	B板拉伸强度/MPa
样本4	130	70	720	15	128.70	188.20
样本10	150	50	720	10	173.13	178.83

表6 聚类样本的工艺参数和拉伸强度

Tab.6 Process parameters and tensile strength of the clustered samples

图6 拉伸试样应力⁃应变曲线

Fig.6 Stress⁃strain curves of the tensile specimens

图7 典型拉伸试样断口

Fig.7 Typical tensile specimen break section

图8 断面形貌对比

Fig.8 Comparison of the section topography

参考文献 17

1	刘宾宾. 碳纤维汽车零部件快速模压成型工艺及其结构与性能研究［J］. 合成纤维工业， 2020，43（04）： 7⁃10.
	LIU B B. Rapid molding technology and structural performanceof carbon fiber automobile parts［J］. China Synthetic Fiber Industry， 2020，43（04）： 7⁃10.
2	刘延金，钟曦. 碳纤维/环氧树脂复合保温材料的制备及性能研究［J］. 功能材料， 2022，53（12）： 12 157⁃12 161.
	LIU Y J， ZHONG X. Study on preparation and properties of carbon fiber/epoxy composite insulation materials ［J］. Journal of Functional Materials， 2022，53（12）： 12 157⁃12 161.
3	李志虎，赛影辉，王志超，等. 碳纤维复合材料在汽车上的应用概述［J］. 汽车实用技术， 2023，48（03）： 136⁃141.
	LI Z H， SAI Y H， WANG Z C， et al. Application overview of carbon fiber composite in automobile［J］. Automobile Applied Technology， 2023，48（03）： 136⁃141.
4	SHARMA H， KUMAR A， RANA S， et al. An overview on carbon fiber⁃reinforced epoxy composites： effect of graphene oxide incorporation on composites performance［J］. Polymers， 2022，14（8）： 1548.
5	刘学东，薛松，杨涛，等. 工艺参数对玻纤增强硅树脂复合材料模压成型制品热稳定性与力学性能的影响［J］. 高分子材料科学与工程， 2022，38（04）： 94⁃102.
	LIU X D， XUE S， YANG T， et al. Effect of compression molding process parameter on thermostability and mechanical properties of fiberglass reinforced silicone resin composites bobbin［J］. Polymer Materials Science & Engineering， 2022，38（04）： 94⁃102.
6	朱楠，彭德功，李军，等. 复合材料模压成型工艺研究［J］. 纤维复合材料， 2020，37（02）： 33⁃35.
	ZHU N， PENG D G， LI J， et al. Study on molding technology of composite materials［J］. Fiber Composites， 2020，37（02）： 33⁃35.
7	汪兴，贾志欣，刘立君，等. 基于极差分析的SMC复合材料模压工艺参数优化［J］. 中国塑料， 2022，36（10）： 77⁃83.
	WANG X， JIA Z X， LIU L J， et al. Optimization of molding process parameters for sheet molding compound composites based on range analysis［J］. China Plastics， 2022， 36（10）： 77⁃83.
8	SURESH S， KUMAR V S S. Experimental determination of the mechanical behavior of glass fiber reinforced polypropylene composites［J］. Procedia Engineering， 2014，97： 632⁃641.
9	宋清华，肖军，文立伟，等. 模压工艺对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层合板力学性能的影响［J］. 复合材料学报， 2016，33（12）： 2 740⁃2 748.
	SONG Q H， XIAO J， WEN L W， et al. Influence of molding press on mechanical properties of glass fiber reinforced polypropylene composite laminates ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2016，33（12）： 27 40⁃2 748.
10	赵玉，张用兵，张兴刚，等. 模压方式和工艺参数对GF/PP复合纤维织物层压板力学性能的影响［J］. 复合材料科学与工程， 2020（05）： 117⁃122.
	ZHAO Y， ZHANG Y B， ZHANG X G， et al. Effect of molding method and technological parameters on mechanical properties of GF/PP commingled yarn ［J］. Composites Science and Engineering， 2020（05）： 117⁃122.
11	罗美兰，高清. 细长变截面复合材料构件模压成型工艺设计［J］. 工程塑料应用， 2018，46（6）： 65⁃69.
	LUO M L， GAO Q. Compression molding forming process design of elongated variable section composite component［J］. Engineering Plastics Application， 2018，46（6）： 65⁃69.
12	XIE J， WANG S， CUI Z， et al. Process optimization for compression molding of carbon fiber⁃reinforced thermosetting polymer［J］. Materials， 2019，12（15）： 2430.
13	李含宇. 树脂基碳纤维复合材料负重轮模压成型工艺研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学材料与化工， 2022.
14	UMAMHESHWAR RAO R S， MAHENDER T. Mechanical properties and optimization of processing parameters for epoxy/glass fiber reinforced composites［J］. Materials Today： Proceedings， 2019，19： 489⁃492.
15	YALLEW T B， KASSEGN E， AREGAWI S， et al. Study on effect of process parameters on tensile properties of compression molded natural fiber reinforced polymer composites［J］. SN ApplieSciences， 2020，2（3）：1⁃8.
16	李欣. 碳纤维/聚醚醚酮编织复合材料的制备及性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2017.
17	史如静，吴举，周剑锋，等. 模压成型工艺参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响［J］. 高科技纤维与应用， 2020，45（01）： 26⁃32.
	SHI R J， WU J， ZHOU J F，et al. Influence of hot⁃press molding parameters for processing CF/PEEK composites on Type I Interlaminar Fracture Toughness I［J］. High⁃Tech Fibers and Applications， 2020，45（01）： 26⁃32.

[1]	曾媛, 李亮, 刘威, 马晶晶, 刘让同. 海藻酸钠/聚丙烯酰胺复合水凝胶的壳聚糖增韧[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 42-48.
[2]	陈晖, 孙玲胜, 钱伟栋, 谭博. 选择性激光烧结聚醚砜树脂/碳纤维/炭黑复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 14-18.
[3]	梅园, 李振, 徐禄波, 麻一明. 再生PCTG增韧改性再生PET的性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 39-43.
[4]	邓卫娟, 王桥, 胡伟, 杨帆, 惠湛. 缓黏结预应力钢绞线用胶黏剂配方试验研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 51-56.
[5]	李红波, 杨睿, 苏正涛. 不同硬质增强填料对PTFE性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 13-19.
[6]	杜乐, 胡娅洁, 胡健, 孙滔, 云雪艳, 董同力嘎. UV固化制备聚（L⁃乳酸）/壳聚糖薄膜及其热学、力学及抑菌性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 38-44.
[7]	陈豪吴志强姜启运沈春晖高山俊. 聚乳酸/聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯共混发泡材料的制备及性能研究[J]. , 2023, 37(7): 1-8.
[8]	廉萌童发钦赵飞刘军杨永启郑凤. 玻璃粉复合聚酰亚胺薄膜的制备及性能研究[J]. , 2023, 37(7): 47-52.
[9]	吴加俊曾佳刘缓缓朱民倪忠斌施冬健陈明清. 釜式发泡制备氢化苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯/聚丙烯发泡珠粒及其性能研究[J]. , 2023, 37(6): 43-49.
[10]	郑兴博李佳汶李子辉韩文娟蒋晶王小峰李倩. 氮化硼改性超高分子量聚乙烯的摩擦学性能研究[J]. , 2023, 37(5): 28-33.
[11]	于盛睿刘钦迪徐磊骆杰吴辉庭韩文邹佳勇周华民. 双面覆膜与纤维含量对MIM/IMD工艺翘曲变形及力学性能的影响[J]. , 2023, 37(5): 55-61.
[12]	顾建国孙建凯侯培培何浩焦文亮. 双轴取向聚氯乙烯管材解取向研究[J]. , 2023, 37(4): 35-38.
[13]	韩阳阳杨晓炯张贵恩董春雨张小刚. 导电橡胶力学性能和耐高温性能研究[J]. , 2023, 37(3): 24-29.
[14]	董竞辉, 桑晓明, 陈祯, 尹伟浩, 姜骞, 陈兴刚. 短切碳纤维对聚苯腈/碳纤维复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 31-37.
[15]	陈晖, 钱伟栋, 孙玲胜, 谭博. 纳米二氧化硅含量对PES基激光烧结件表面质量和力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 10-14.

环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析

Analysis of influence factors on mechanical properties of epoxy/carbon fiber composite⁃molded products

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 17

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价