环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品翘曲变形的影响因素分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.011

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (3): 59-66.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.011

环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品翘曲变形的影响因素分析

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, 姚吉尔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.宁波天龙电子股份有限公司，浙江宁波 315336

收稿日期:2023-08-14 出版日期:2024-03-26 发布日期:2024-03-28
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，研究方向为复合制件热压⁃注塑一体成型工艺，chuantao_zhao@zju.edu.cn
基金资助:
宁波市重点研发计划暨“揭榜挂帅”项目(2022Z044)

Analysis of influencing factors of warpage deformation 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, YAO Jier⁴

^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 Tianlong Electronics Co，Ltd，Ningbo 315336，China

Received:2023-08-14 Online:2024-03-26 Published:2024-03-28
Contact: JIA Zhixin E-mail:chuantao_zhao@zju.edu.cn;jzx@nit.zju.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

围绕环氧树脂/碳纤维片状模塑料模压平板制品深入研究了翘曲变形问题。用三坐标测量仪测得平板制品的平面度以表征制品的翘曲变形量。通过邓肯法多重比较各因素的水平显著性影响差异并进一步分析了各工艺参数对制品翘曲变形的影响趋势；同时分析了纤维分布、孔隙特征、上下模具温度、型腔压力分布等对制品翘曲的影响机理。结果表明，制品翘曲量分布在0.302~1.29 mm之间；通过正交实验方差分析得到模压成型工艺参数对翘曲变形的影响大小顺序为：模压压力（P）>合模速度（v）>保压时间（t）>模压温度（T），影响制品翘曲变形的显著性因素是模压压力。

关键词: 环氧树脂, 碳纤维, 片状模塑料, 模压成型, 翘曲变形

Abstract:

This article addressed the issue of warping deformation in epoxy resin/carbon fiber sheet⁃molded composite flat panel products.， the flatness of the panel products was measured to characterize the extent of warping deformation by using a three⁃coordinate measurement device. The results indicated that the warping deformation varied from 0.302 to 1.29 mm. Through an orthogonal experimental variance analysis， the significance of various molding process parameters on warping deformation was determined with molding pressure having the most significant impact， followed by demolding speed， holding pressure time， and molding temperature. Furthermore， a Duncan's multiple comparison method was used to assess the differences in the significance levels among these factors， the trends in the influence of each process parameter on warping deformation in the products was further analyzed. The mechanism of influence factors for the warping of the products was analyzed， and these factors include fiber distribution， pore characteristics， upper and lower mold temperatures， and cavity pressure distribution.

Key words: epoxy, carbon, sheet molding compound, compression molding, warping deformation

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, 姚吉尔. 环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品翘曲变形的影响因素分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 59-66.

ZHAO Chuantao, JIA Zhixin, LIU Lijun, LI Jiqiang, ZHANG Chenchen, RONG Di, GAO Lizhen, YAO Jier. Analysis of influencing factors of warpage deformation of epoxy/carbon fiber composite⁃molded products[J]. China Plastics, 2024, 38(3): 59-66.

图/表 19

水平	因素
水平	T/℃	P/kN	t/s	v/mm∙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

图1 压力传感器安装位置分布示意图

Fig.1 Schematic diagram of the installation location distribution of the pressure sensor

图2 温度传感器安装位置分布示意图

Fig.2 Schematic distribution of temperature sensor installation locations

图 3 三坐标测量仪测量实物图

Fig. 3 Physical drawing of a CMM measurement

图 4 翘曲量测量点坐标示意图

Fig. 4 Schematic diagram of the coordinates of the warpage measurement point

编号	T/℃	P/kN	t/s	v/mm∙s^-1	F_a	S_a
1	130	400	540	1	0.682	0.121
2	130	500	600	5	0.625	0.168
3	130	600	660	10	1.259	0.259
4	130	700	720	15	1.019	0.185
5	140	400	600	10	0.646	0.120
6	140	500	540	15	0.302	0.101
7	140	600	720	1	1.290	0.250
8	140	700	660	5	0.495	0.179
9	150	400	660	15	0.398	0.209
10	150	500	720	10	0.987	0.173
11	150	600	540	5	1.099	0.205
12	150	700	600	1	1.053	0.241
13	160	400	720	5	0.488	0.105
14	160	500	660	1	0.729	0.134
15	160	600	600	15	1.062	0.200
16	160	700	540	10	0.674	0.127

表 2 正交实验方案及结果

Tab.2 Orthogonal protocol for molding process parameters

因素	偏差平方和	自由度	方差	F	显著性
T/℃	0.135	3	0.045	3.818	0.150
P/kN	0.891	3	0.297	25.127	0.013
t/s	0.169	3	0.056	4.757	0.116
v/mm∙s^-1	0.215	3	0.072	6.072	0.086
误差e	0.035	3	0.012	-	-

表 3 翘曲量的正交实验方差分析表

Tab.3 Orthogonal experimental ANOVA of the warpage

工艺参数	水平	个案数N	A
工艺参数	水平	个案数N	均值	显著性
模压温度/℃	140	4	0.683	0.068
	160	4	0.738	0.068
	150	4	0.884	0.068
	130	4	0.896	0.068
模压压力/kN	400	4	0.554	0.257
	500	4	0.661	0.257
	700	4	0.810	0.147
	600	4	1.178	1.000
保压时间/s	540	4	0.689	0.133
	660	4	0.720	0.133
	600	4	0.846	0.133
	720	4	0.946	0.061
合模速度/mm∙s^-1	5	4	0.677	0.068
	15	4	0.695	0.068
	10	4	0.891	0.068
	1	4	0.939	0.051

表 4 工艺参数对翘曲变形影响的邓肯多重比较结果

Tab.4 Duncan multiple comparison of the influence of various process parameters on warpage deformation

图5 翘曲量随各工艺参数的变化趋势图

Fig.5 Trend plot of the warpage with various process parameters

制品厚度/mm	2	3	4	5
翘曲量/mm	1.695	1.557	0.682	0.472

表5 翘曲量随厚度变化表

Tab.5 Warpage as a function of thickness

图 6 不同厚度制品的翘曲量三维曲面图

Fig.6 Three⁃dimensional surface diagram of the warpage of products of different thicknesses

图7 EP/CF⁃SMC流动分布示意图

Fig.7 Schematic diagram of the flow distribution of EP/CF⁃SMC

图8 平板制品切割取样示意图

Fig.8 Schematic diagram of cutting sampling of flat products

图9 不同位置试样的纤维体积分数

Fig.9 Fiber fraction of the flat products at different site

图10 CT扫描方案示意图

Fig.10 Schematic diagram of CT scanning protocol

图11 平板制品不同位置试样的孔隙率

Fig.11 Porosity of specimens at different positions of the flat products

图12 不同位置的孔隙形态分布特征

Fig.12 Pore morphological distribution characteristics at different locations

图13 模腔内部温度随时间变化图

Fig.13 Diagram of the temperature inside the mold cavity over time

图14 模腔压强随保压时间变化图

Fig.14 Variation of the mold cavity pressure with holding time

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