基于极差分析的SMC复合材料模压工艺参数优化

汪 兴，贾志欣，刘立君，李继强，张臣臣 ，王少峰

（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.宁波益普乐模塑有限公司，浙江 宁波 315615）

材料发展水平是衡量一个国家科技与工业发展水平的重要标志。复合材料是指由2种或2种以上性质不相同的材料组合在一起所得到的新型材料，其性能优于单一组分材料性能，并且可以通过基体树脂改性、铺层设计等手段来设计其性能。目前，复合材料已经广泛应用于生产生活的各个领域。复合材料的成型工艺有热压罐成型、模压成型、注射成型等，其中模压成型的应用广泛、发展迅速。其工艺流程是指将一定尺寸和质量的预浸料置于模具中，通过加温加压的方式，使基体材料熔融并带动纤维流动充模，最终固化后得到所需产品形状。在模压成型过程中，工艺参数能够直接影响到基体材料对于增强体纤维的浸渍效果，从而影响复合材料制品的性能[1-7]。因此，对于复合材料制品模压成型工艺参数的研究具有重要的意义。

目前，已有不少的专家学者对复合材料模压成型工艺开展了相关研究。罗美兰[7]、代汉达[8]等设计正交试验探究了时间、温度与压力等工艺参数对于复合材料制品力学性能的影响。王在富[9]通过Ansys Polyflow模拟了模压过程中材料的充型流动过程，并通过实验探究了工艺参数对于复合材料制品的影响。胡章平[10]通过Design-Expert数据分析软件设计实验，建立了工艺参数与制品力学性能的响应面模型，直观描述了工艺参数对于制品性能的影响。李德[11]、李益俊[12]等通过实验研究了材料中增强纤维含量对复合材料制品成型结构与力学性能的影响。李浩、邵将[13]等通过实验研究了玻璃纤维含量及工艺参数对于复合材料制品力学性能的影响。丁小马[14]研究了不同铺层方式对于复合材料制品力学性能的影响。唐荣华、杨旭静[15]等把热模压成型过程分为预热工序、模压工序和成型操作3个部分，通过实验优化了工艺参数。

在实际模压制品生产过程中，进行分段式加压往往能够得到不同力学性能的制品。而国内现有研究较多偏向于通过实验研究模压温度、成型压力、保压时间等成型工艺参数对于模压制品力学性能的影响，少有对模压过程中分阶段进行加压的工艺参数进行研究。本文将保压过程分为三段进行，通过三段模压压力与保压时间的变化，研究相关参数对于SMC制品力学性能的影响，通过极差分析法得到不同参数与模压制品力学性能之间的关系，并结合模压成型过程中材料状态变化分析其中原因，为SMC材料在实际模压生产中工艺参数的优化提供了参考依据。

1.1 主要原料

SMC材料，5010，材料由长度为25 mm的短切玻璃纤维、不饱和聚酯树脂基体及各种助剂组成，玻璃纤维的含量为27%，成型工艺为模压成型，常州华日新材有限公司。

1.2 主要设备及仪器

复合材料制品液压机，1000 kN，天津市天锻压力机有限公司；

平板模具，模具简图如图1所示，模芯尺寸为200 mm×400 mm，制品厚度为4 mm，宁波益普乐公司；

图1 模具简图Fig.1 Sketch of the mold

万能试验机，SANS CMT4204、SANS CMT6103，深圳新三思实验设备有限公司。

1.3 样品制备

整个实验过程中，上模温度为148℃，下模温度为145℃，合模速度为2 mm/s，下料质量为(650±5)g，铺料尺寸为160 mm×320 mm，料在下模居中铺放。本次实验旨在探究各个阶段保压压力、保压时间对于SMC模压制品力学性能的影响，选取合适的参数设计得到正交试验L25（56）的因素水平如表1所示，其中p1、p2、p3为第一阶段、第二阶段和第三阶段的保压压力，t1、t2、t3为第一阶段、第二阶段和第三阶段的保压时间。

表1 正交试验的因素水平表Tab.1 Factors and levels table of orthogonal test

预浸料经过模压成型得到平板制品后，经过机加工得到规定类型的试样。本文以制品中所选取试样的强度均值来代表整个制品的性能，在试样选取时综合考虑了制品的边缘、中间等不同位置以及取样方向可能造成的性能差异，以保证实验结果的合理性，因此，设计试样切割方案如图2所示。本次实验共计25组工艺参数，同一组参数生产2个制品，分别为A类制品与B类制品，共计制备50块制品。其中，A类制品中取10个冲击试样与2个拉伸试样，B类制品中取10个弯曲试样与2个拉伸试样，共计取得拉伸试样100个，弯曲试样与冲击试样各250个。

图2 试样切割方案Fig.2 Cutting plan of the sample

1.4 性能测试与结构表征

拉伸性能测试：采用万能试验机，最大实验力为20kN，测试标准为GB/T 1447—2005，测试环境温度为20℃，环境湿度为48%RH，设置实验速度为2 mm/min，拉伸标距为50 mm；

弯曲性能测试：采用万能试验机，最大试验力为1 kN，测试标准为GB/T 1449—2005，测试环境温度为20℃，环境湿度为48%RH，设置实验速度为2 mm/min，跨距为64 mm；

冲击性能测试：采用冲击试验机，最大势能为7.5 J，测试标准为GB/T1043.1—2008，测试环境温度为20℃，环境湿度为48%RH。

2.1 正交试验结果

设计的正交试验共25个参数组合，实验结果如表2所示，其中p1、p2、p3、t1、t2、t3分别代表第一、二、三阶段的保压压力与保压时间，σt、σf、acU分别代表拉伸强度、弯曲强度、冲击强度，强度值为该参数组合下制品中同一类型试样强度的平均值。

表2 正交试验结果Tab.2 Result of the orthogonal test

2.2 拉伸性能分析

由实验得到的拉伸实验数据通过极差分析方法得到的结果如表3所示，k1、k2、k3、k4、k5分别是各个影响因素5个水平下的实验指标，由此可以判别各个影响因素的最差水平与最优水平。R是其极差，表示每个影响因素作用于制品所引起的拉伸强度值的变化范围，其大小代表了相应因素对于制品拉伸性能的影响程度大小。将6个因素所对应的极差R绘制为图形得到图3，从图3可以直观地看出各个因素对于制品拉伸强度的影响大小，依次是p3＞t3＞p2＞p1＞t2＞t1，其中第三阶段压力和时间参数对于制品的拉伸强度影响最大，其次是第二阶段参数与第一阶段参数。

表3 拉伸强度极差分析结果Tab.3 Range analysis results of tensile strength

图3 拉伸强度的极差值Fig.3 Diagram of range of tensile strength

由图4可以直观看出最优组合为(p1)1，(p2)3，(p3)2，(t1)2，(t2)2，(t3)2，其中括号外层下标代表因素水平编号，即第一阶段压力为450 kN，第二阶段压力为550 kN，第三阶段压力为500 kN，第一阶段时间、第二阶段时间、第三阶段时间均为28 s，此时可以获得抗拉伸性能最好的制品。以该组参数进行验证实验，按照图2所示切割得到拉伸试样，进行测试后得到的试样强度均值为92.36 MPa，相较于25组正交试验中拉伸强度最大值的85.73 MPa提升了7.72%。

图4 拉伸强度的不同参数水平数据Fig.4 Data graph for different parameters of tensile strength

2.3 弯曲性能分析

运用极差分析方法分析弯曲实验数据得到表4，并根据表中数据绘制图5与图6。

表4 弯曲强度极差分析结果Tab.4 Range analysis results of bending strength

图5 弯曲强度极差值Fig.5 Diagram of range of bending strength

图6 弯曲强度不同参数水平数据Fig.6 Data graph for different parameters of bending strength

由图5可以知道各个因素对于制品弯曲强度的影响大小，依次是t3＞t1＞p3＞p1＞p2＞t2，将时间参数与压力参数按阶段分析可以发现，第三阶段参数对于制品弯曲强度影响程度最大，其次是第一阶段的参数，而第二阶段参数对于制品弯曲强度影响最小。

由图 6 可以看出最优组合为 (p1)1，(p2)1，(p3)1，(t1)1，(t2)5，(t3)3，即第一阶段压力、第二阶段压力、第三阶段压力均为450 kN，第一阶段时间为25 s，第二阶段时间为37 s，第三阶段时间为31 s，此时可以获得抗弯曲性能最好的制品。以该组参数进行验证实验，按照图2所示切割得到弯曲试样，进行测试后得到的试样强度均值为180.18 MPa，相较于25组正交试验中弯曲强度最大值的173.78 MPa提升了3.92%。

2.4 冲击性能分析

运用极差分析方法分析冲击实验数据得到表5，并根据表中数据绘制图7与图8。

表5 冲击强度极差分析结果Tab.5 Range analysis results of impact strength

图7 冲击强度的极差值Fig.7 Diagram of range of impact strength

图8 冲击强度的不同参数水平数据Fig.8 Data graph for different parameters of impact strength

由图7可知各个因素对于制品冲击强度的影响大小，依次是p1＞t1＞p3＞t2＞p2＞t3，即对制品冲击强度影响最大的参数是第一阶段的时间与压力，其次是第二阶段、第三阶段的压力，影响最小的是第二阶段、第一阶段的时间。

由图 8 可以看出最优组合为 (p1)1，(p2)2，(p3)4，(t1)4，(t2)4，(t3)1，即第一阶段压力为450 kN、第二阶段压力为500 kN、第三阶段压力均为600 kN，第一阶段时间与第二阶段时间均为31 s，第三阶段时间为25 s，此时可以获得抗冲击性能最好的制品。以该组参数进行验证实验，按照图2所示切割得到冲击试样，进行测试后得到的试样强度均值为86.12 kJ/m2，相较于25组正交试验中冲击强度最大值的80.78 kJ/m2提升了6.61%。

综合以上结果，可以发现各阶段参数对于制品不同力学性能的影响程度也不相同。其中，对于制品的拉伸强度与弯曲强度而言，第三阶段参数影响最大；
对于制品的冲击强度而言，第一阶段的参数影响最大。这是因为在模压成型过程中，材料状态会逐渐发生改变，导致不同阶段参数对于材料内部结构与性能产生不同的影响。在模压成型初始阶段，材料会吸收热量进入黏流态[16]，该阶段工艺参数主要影响的是基体树脂与增强纤维的浸渍程度，合适的参数能够使得树脂与纤维间具有良好的结合状态。当温度上升到一定程度时，材料会发生固化反应，同时伴随着体积收缩，当材料完全固化后，其内部会因此而产生大量内应力[17]，此阶段工艺参数主要影响的是制品内应力，合适的参数会有效降低制品内应力的存在。在拉伸测试与弯曲测试过程中，实验机需要以恒定速度作用在试样上，整个测试过程需要持续一定的时间。在测试过程中，随着变形量的增加，试样会在内应力的作用下产生微裂纹并逐步扩散导致试样失效，因此试样内应力对其强度影响较大，第三阶段参数能够影响材料内应力进而影响制品强度。而在冲击测试时，试样只需经受一个瞬态的载荷，由能量守恒定律计算得到试样的冲击强度。在测试过程中，如果试样内部树脂与纤维结合强度较高，则试样遭受破坏时需要将纤维拉断或者使纤维从基体树脂中抽出所需的能量较大，试样冲击强度较高；
反之，如果纤维与树脂结合性能不好，则试样冲击强度较小。因此，能够影响基体树脂与增强纤维间浸渍程度的第一阶段参数对于制品的冲击强度影响更大。

（1）由于材料在成型过程中状态的改变以及制品力学性能测试原理差异，导致不同阶段参数对于SMC制品不同力学性能的影响也不相同，成型初期阶段工艺参数对于制品拉伸强度与弯曲强度影响较大，后期阶段工艺参数对于制品冲击强度影响较大。在实际生产过程中，应根据制品性能要求重点关注对应阶段的工艺参数；

（2）对制品拉伸强度影响度大小排序依次是p3＞t3＞p2＞p1＞t2＞t1，其中第三阶段工艺参数对于制品拉伸强度影响程度最大。最优工艺参数为(p1)1，(p2)3，(p3)2，(t1)2，(t2)2，(t3)2，即第一阶段、第二阶段、第三阶段压力为450、550、500 kN，三阶段保压时间均为28 s，此时可以得到拉伸强度为92.36 MPa的制品，相较于实验中拉伸强度最大值的85.73 MPa提升了7.72%；

（3）对制品弯曲强度影响度大小排序依次是t3＞t1＞p3＞p1＞p2＞t2，其中第三阶段工艺参数对于制品弯曲性能影响最大。最优工艺参数为(p1)1，(p2)1，(p3)1，(t1)1，(t2)5，(t3)3，即在 3 个阶段压力均为 450 kN，第一阶段、第二阶段和第三阶段时间为25、37、31 s，此时可以得到弯曲强度为180.18 MPa的制品，与实验中弯曲强度最大值的173.38 MPa相比提升了3.92%；

（4）对制品冲击强度影响度大小排序依次是p1＞t1＞p3＞t2＞p2＞t3，其中第一阶段参数对于制品冲击性能影响最大。最优工艺参数为(p1)1，(p2)2，(p3)4，(t1)4，(t2)4，(t3)1，即第一阶段、第二阶段、第三阶段压力为450、500、600 kN，第一阶段、第二阶段和第三阶段时间为31、31、25，此时可以得到冲击强度为86.12 kJ/m2的制品，与实验中冲击强度最大值的80.78 kJ/m2相比提升了6.61%。