环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品冲击强度影响因素分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.009

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (1): 55-61.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.009

环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品冲击强度影响因素分析

荣迪¹^,²(), 贾志欣²(), 刘立君², 李继强², 赵川涛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.浙大宁波理工学院机械与能源工程学院，浙江宁波 315100
^3.浙江理工大学机械工程学院，杭州 310018
^4.宁波益普乐模塑有限公司，浙江宁波3115615

收稿日期:2023-06-13 出版日期:2024-01-26 发布日期:2024-01-22
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:coolcat@zju.edu.cn;jzx@nit.zju.edu.cn
作者简介:荣迪（1998-），男，硕士研究生，研究方向为复合材料热压成型工艺，coolcat@zju.edu.cn
基金资助:
宁波市“科技创新2025”重大专项(2019B0053)

Analysis of influence factors on impact strength of epoxy/carbon⁃fiber⁃composite⁃molded products

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

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

Received:2023-06-13 Online:2024-01-26 Published:2024-01-22
Contact: JIA Zhixin E-mail:coolcat@zju.edu.cn;jzx@nit.zju.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过正交试验研究了模压温度、模压压力、保压时间、合模速度对环氧树脂/碳纤维片状模塑料模压成型制品冲击强度的影响，制品冲击强度表现出显著的各向异性。使用极差法证明各因素对冲击强度的影响大小为：保压时间t>合模速度 $v >$ 模压温度 $T >$ 模压压力 $P$ ；得到最佳工艺参数组合为：模压温度 $T$ 为130 ℃、模压压力 $P$ 为500 kN、保压时间 $t$ 为540 s、合模速度 $v$ 为1 mm/s，使用该参数组进行验证实验，新制品冲击强度相较于正交试验中的最大值提高了9.75 %。结合典型冲击断裂试样的微观形貌解释了影响因素作用于制品冲击强度的微观机制。

关键词: 片状模塑料, 冲击强度, 工艺参数优化, 极差分析, 微观形貌

Abstract:

The influence of molding temperature， molding pressure， holding time， and closing speed on the impact performance of epoxy resin/carbon⁃fiber⁃laminate⁃molded products was investigated through an orthogonal experiment. The of products exhibited significant anisotropy in their impact strength. A range analysis method was used to demonstrate the influence of each factor on the impact performance by an increasing order as follows： holding time>closing speed>molding temperature>molding pressure. The optimal combination of process parameters was determined to be a molding temperature of 130 ℃， a molding pressure of 500 kN， a holding time of 540 s， and a closing speed of 1 mm/s. Compared to the maximum value obtained in the orthogonal experiment， the validation experiment based on this parameter combination for the new products showed an increase in the impact strength by 9.75 %. The microstructure of typical impact fracture samples was analyzed to explore the microscopic mechanism of the influencing factors on the impact performance of the products.

Key words: sheet molding compound, impact performance, process parameter optimization, range analysis, micromorphology

中图分类号:

TQ323.5

荣迪, 贾志欣, 刘立君, 李继强, 赵川涛, 高利珍, 王少峰. 环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品冲击强度影响因素分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 55-61.

RONG Di, JIA Zhixin, LIU Lijun, LI Jiqiang, ZHAO Chuantao, GAO Lizhen, WANG Shaofeng. Analysis of influence factors on impact strength of epoxy/carbon⁃fiber⁃composite⁃molded products[J]. China Plastics, 2024, 38(1): 55-61.

图/表 20

图1 EP/CF⁃SMC材料（黄色线为切割线）

Fig.1 Epoxy resin/carbon fiber SMC material

图2 模压成型系统

Fig.2 Molding system

水平	因素
水平	$T / ℃$	$P / k N$	$t / s$	$v / m m ∙ s - 1$
1	130	400	540	1
2	140	500	600	5
3	150	600	660	10
4	160	700	720	15

水平	因素
水平	$T / ℃$	$P / k N$	$t / s$	$v / m m ∙ s - 1$
1	130	400	540	1
2	140	500	600	5
3	150	600	660	10
4	160	700	720	15

表1 正交试验因素水平表

Tab.1 Factor level table of orthogonal test

表1 正交试验因素水平表

Tab.1 Factor level table of orthogonal test

图3 试样切割方案

Fig.3 Sample cutting scheme

试验编号	$T / ℃$	$P / k N$	$t / s$	$v / m m ∙ s - 1$
1	130	400	540	1
2	130	500	600	5
3	130	600	660	10
4	130	700	720	15
5	140	600	720	1
6	140	700	660	5
7	140	700	600	10
8	140	400	540	15
9	150	500	600	1
10	150	700	540	5
11	150	600	720	10
12	150	500	660	15
13	160	400	660	1
14	160	500	720	5
15	160	700	540	10
16	160	600	600	15

试验编号	$T / ℃$	$P / k N$	$t / s$	$v / m m ∙ s - 1$
1	130	400	540	1
2	130	500	600	5
3	130	600	660	10
4	130	700	720	15
5	140	600	720	1
6	140	700	660	5
7	140	700	600	10
8	140	400	540	15
9	150	500	600	1
10	150	700	540	5
11	150	600	720	10
12	150	500	660	15
13	160	400	660	1
14	160	500	720	5
15	160	700	540	10
16	160	600	600	15

表2 正交试验参数

Tab.2 Orthogonal test parameters

表2 正交试验参数

Tab.2 Orthogonal test parameters

试验编号	$a c U ¯ (X) / k J ∙ m - 2$	$σ X$	$a c U ¯ (Y) / k J ∙ m - 2$	$σ Y$
1	50.85	12.93	67.80	15.75
2	45.85	11.84	57.75	9.39
3	42.27	4.35	49.48	5.40
4	49.10	8.97	46.53	4.75
5	49.50	5.75	54.51	11.42
6	47.96	4.06	33.82	10.76
7	38.07	3.13	46.47	9.82
8	37.19	12.62	56.04	5.56
9	42.71	1.91	66.56	9.99
10	43.03	4.76	52.09	3.49
11	37.58	8.46	51.43	12.81
12	41.95	6.54	45.39	17.25
13	41.34	13.25	48.77	9.48
14	43.44	4.80	50.29	8.64
15	41.39	4.97	54.72	6.40
16	48.47	6.04	48.04	6.71

试验编号	$a c U ¯ (X) / k J ∙ m - 2$	$σ X$	$a c U ¯ (Y) / k J ∙ m - 2$	$σ Y$
1	50.85	12.93	67.80	15.75
2	45.85	11.84	57.75	9.39
3	42.27	4.35	49.48	5.40
4	49.10	8.97	46.53	4.75
5	49.50	5.75	54.51	11.42
6	47.96	4.06	33.82	10.76
7	38.07	3.13	46.47	9.82
8	37.19	12.62	56.04	5.56
9	42.71	1.91	66.56	9.99
10	43.03	4.76	52.09	3.49
11	37.58	8.46	51.43	12.81
12	41.95	6.54	45.39	17.25
13	41.34	13.25	48.77	9.48
14	43.44	4.80	50.29	8.64
15	41.39	4.97	54.72	6.40
16	48.47	6.04	48.04	6.71

表 3 正交试验参数下的冲击强度结果

Tab.3 Result of impact strength for the Orthogonal test parameters

表 3 正交试验参数下的冲击强度结果

Tab.3 Result of impact strength for the Orthogonal test parameters

图4 不同取样方向制品的冲击强度

Fig.4 Impact properties of the products in different sampling directions

Mann⁃Whitney U

Wilcoxon W

渐进显著性

（双尾）

精确显著性

［2*（单尾显著性）］

X试样冲击强度均值

（16组全部试样） $a c U$ /MPa

Y试样冲击强度均值

（16组全部试样） $a c U$ /MPa

≤

0.05

≤

0.001

43.79

51.86

Mann⁃Whitney U

Wilcoxon W

渐进显著性

（双尾）

精确显著性

［2*（单尾显著性）］

X试样冲击强度均值

（16组全部试样） $a c U$ /MPa

Y试样冲击强度均值

（16组全部试样） $a c U$ /MPa

42.000

178.000

-3.241

0.001

≤

0.05

≤

0.001

43.79

51.86

表4 不同取样方向试样冲击强度的Mann⁃Whitney U检验

Tab.4 Mann⁃Whitney U test for impact strength of patterns in different sampling directions

表4 不同取样方向试样冲击强度的Mann⁃Whitney U检验

Tab.4 Mann⁃Whitney U test for impact strength of patterns in different sampling directions

图5 相同参数组下不同取样方向试样的金相显微镜照片

Fig.5 Metallographic microscope images of typical patterns in different sampling directions

各水平冲击强度均值 $a c U$ /MPa	影响因素
各水平冲击强度均值 $a c U$ /MPa	$T$	$P$	$t$	$v$
$k 1$	55.39	52.49	57.66	59.41
$k 2$	47.71	53.50	54.71	48.49
$k 3$	53.87	51.03	44.37	50.52
$k 4$	50.46	50.41	50.69	49.00
$R$	7.68	3.09	13.29	10.92

各水平冲击强度均值 $a c U$ /MPa	影响因素
各水平冲击强度均值 $a c U$ /MPa	$T$	$P$	$t$	$v$
$k 1$	55.39	52.49	57.66	59.41
$k 2$	47.71	53.50	54.71	48.49
$k 3$	53.87	51.03	44.37	50.52
$k 4$	50.46	50.41	50.69	49.00
$R$	7.68	3.09	13.29	10.92

表5 冲击强度极差分析结果

Tab.5 Impact strength range analysis results

表5 冲击强度极差分析结果

Tab.5 Impact strength range analysis results

图6 模压参数对制品冲击强度影响的极差分析统计图

Fig.6 Statistical chart of the range analysis of the influence of molding parameters on the impact strength of products

正交试验中冲击

强度最大值 $a c U$ /MPa

最优参数组制品Y方向试样

冲击强度平均值 $a c U$ /MPa

冲击强度

提高百分比/%

67.80

74.41

9.75

正交试验中冲击

强度最大值 $a c U$ /MPa

最优参数组制品Y方向试样

冲击强度平均值 $a c U$ /MPa

冲击强度

提高百分比/%

67.80

74.41

9.75

表6 模压参数优化前后的试样冲击强度

Tab.6 Impact strength of the sample before and after optimization of molding parameters

表6 模压参数优化前后的试样冲击强度

Tab.6 Impact strength of the sample before and after optimization of molding parameters

图7 模压温度与冲击强度的关系

Fig.7 Relationship between molding temperature and impact strength

图8 不同模压温度下制品的金相显微镜照片

Fig.8 Metallographic microscope images of the products at different molding temperature

图9 冲击强度与模压压力的关系

Fig.9 Relationship between impact strength and molding pressure

图10 不同模压压力下制品的金相显微镜照片

Fig.10 Metallographic microscope images of the products under different molding pressure

图11 冲击强度与保压时间的关系

Fig.11 The relationship between impact strength and pressure holding time

图12 不同保压时间下制品的SEM照片

Fig.12 SEM of the products under different pressure holding time

图13 冲击强度与合模速度的关系

Fig.13 Relationship between impact strength and die closing velocity

图14 不同合模速度下制品的金相显微镜照片

Fig.14 Metallographic microscope images of the products at different closing speed

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环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品冲击强度影响因素分析

Analysis of influence factors on impact strength of epoxy/carbon⁃fiber⁃composite⁃molded products

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试验编号	$T / ℃$	$P / k N$	$t / s$	$v / m m ∙ s - 1$
1	130	400	540	1
2	130	500	600	5
3	130	600	660	10
4	130	700	720	15
5	140	600	720	1
6	140	700	660	5
7	140	700	600	10
8	140	400	540	15
9	150	500	600	1
10	150	700	540	5
11	150	600	720	10
12	150	500	660	15
13	160	400	660	1
14	160	500	720	5
15	160	700	540	10
16	160	600	600	15

试验编号	$T / ℃$	$P / k N$	$t / s$	$v / m m ∙ s - 1$
1	130	400	540	1
2	130	500	600	5
3	130	600	660	10
4	130	700	720	15
5	140	600	720	1
6	140	700	660	5
7	140	700	600	10
8	140	400	540	15
9	150	500	600	1
10	150	700	540	5
11	150	600	720	10
12	150	500	660	15
13	160	400	660	1
14	160	500	720	5
15	160	700	540	10
16	160	600	600	15

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1	130	400	540	1
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9	150	500	600	1
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12	150	500	660	15
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14	160	500	720	5
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