家具设计中碳纤维复合材料的注塑成型与性能研究

陆 莹 ，毛燎厚

（1广西机电职业技术学院，广西南宁 530009；
2 苏州中科百奥科技发展有限公司，江苏苏州 215000）

碳纤维增强热塑性树脂复合材料具有质量轻、强度高、耐高温和服役寿命长等特点，在现代化工业中得到了广泛运用，且随着应用领域的不断扩展和国产化程度的提高，碳纤维复合材料已从传统的航空航天、船舶等领域向家具、建筑等民生领域延伸，并已展现出良好的应用前景[1]。对于家具设计用应用的碳纤维复合材料而言，其形状更加复杂、对力学性能的要求相对较高，而实际注塑成型过程中碳纤维增强树脂的流动性和填充性能较差[2-3]，需要从注塑成型工艺、复合材料中碳纤维成分配比等多角度来改善复合材料的成型质量和力学性能。例如，国内的许宝武等[4]和国外的 Gandhi等[5]研究了碳纤维对环氧树脂基复合材料疲劳性能和弯曲性能等的影响，相关研究已较多，但是大多还是基于传统的注塑成型工艺，而对基于顺序阀浇口的成型工艺方面的研究报道较少[6-8]。本文对比分析了传统注塑（多浇口进胶）工艺和新型SVG（顺序阀浇口）工艺下碳纤维复合材料的成型质量，结果可为高综合性能的碳纤维增强热塑性树脂复合材料的开发及其在家具设计中的应用提供参考。

试验材料：UMG ABS公司生产的碳纤维增强热塑性树脂（PC/ASA+CF）复合材料。采用HTF 470型液压超高速注塑成型机对碳纤维复合材料进行注塑成型，所采用工艺为传统注塑（多浇口进胶）工艺和新型SVG（顺序阀浇口）工艺，工艺参数主要包括熔体温度、模具温度、注射压力、注射速率等[9-10]，碳纤维复合材料中碳纤维的质量分数为0~25%。

采用moldflow软件[11]对注塑成型后碳纤维复合材料中的熔接痕和气穴进行观察。参照GB/T 1040.5进行室温拉伸性能测试，设备为MTS-810型万能材料试验机。图1为拉伸试样尺寸示意图，其中，L=150mm、W=20mm、H=115mm、d=4mm、C=60mm、b=10mm、标距G0=50mm、R=60mm，拉伸速率为30mm/min，温度为25℃，结果为10组试样的平均值。参照GB/T 9341进行室温弯曲性能测试，设备为YHS-229型弯曲试验机。图2为弯曲试样尺寸示意图，其中1表示加压压头（r=5mm）、2表示弯曲试样、3表示支座（r2=2mm）、h表示厚度、P表示弯曲负载、l表示试样长度，温度为25℃，结果为5组试样的平均值。

图1 拉伸试样尺寸示意图Fig. 1 Schematic diagram of tensile sample size

图2 弯曲试样尺寸示意图Fig. 2 Schematic diagram of bending sample size

两种不同注塑成型工艺下碳纤维复合材料试件的熔接痕形貌如图3所示。对比分析可知，采用传统注塑成型工艺下，碳纤维复合材料中可见明显熔接痕，这些熔接痕在成型后形成了熔接环，会对最终力学性能产生一定影响；
采用SVG注塑成型工艺下，碳纤维复合材料中的熔接痕基本消失。由此可见，采用SVG注塑成型可以消除传统注塑成型工艺下的熔接痕缺陷。

图3 两种不同注塑成型工艺下碳纤维复合材料试件的熔接痕Fig. 3 Weld lines of carbon fiber composite specimens under two different injection molding processes

进一步对两种不同注塑成型工艺下碳纤维复合材料试件的气穴分布进行观察，结果如图4所示。对比分析可知，采用传统注塑成型工艺下，碳纤维复合材料中可见明显气穴存在，且气穴主要在熔接痕附近存在；
采用SVG注塑成型工艺下，碳纤维复合材料中的气穴基本消失，只是在边缘处可见零星气穴。由此可见，采用SVG注塑成型可以消除传统注塑成型工艺下的气穴缺陷。

图4 两种不同注塑成型工艺下碳纤维复合材料试件的气穴分布Fig. 4 Cavitation distribution of carbon fiber composite specimens under two different injection molding processes

碳纤维质量分数对碳纤维复合材料拉伸性能的影响如图5所示。从熔体温度影响规律上看，随着碳纤维质量从0增加至25%，熔体温度为260℃和270℃的碳纤维复合材料的拉伸强度不断增大，而熔体温度为250℃的碳纤维复合材料的拉伸强度先增加后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值；
从模具温度影响规律上看，随着碳纤维质量从0增加至25%，模具温度为50℃、60℃和70℃的碳纤维复合材料的拉伸强度不断增大，且相同碳纤维质量分数下，模具温度越高则碳纤维复合材料的拉伸强度越大；
从注射速率影响规律上看，随着碳纤维质量从0增加至25%，注射速率为150g/s、200g/s和250g/s的碳纤维复合材料的拉伸强度先增加后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值，且相同碳纤维质量分数下，注射速率越大则碳纤维复合材料的拉伸强度越大；
从注射压力影响规律上看，注射压力为180MPa、210MPa和240MPa的碳纤维复合材料的拉伸强度先增加后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值，且相同碳纤维质量分数下，注射压力越大则碳纤维复合材料的拉伸强度越大。这主要是因为如果碳纤维复合材料中碳纤维质量分数过大（25%），复合材料中的碳纤维会发生一定程度的“团聚”，在产生内应力的同时会降低界面结合性能，因此在受外力作用下，复合材料中的应力不能有效传递而造成拉伸性能降低[12-13]。综合而言，碳纤维复合材料中碳纤维质量分数为20%时可以取得良好的拉伸性能。

图5 碳纤维质量分数对碳纤维复合材料拉伸性能的影响Fig. 5 Effect of carbon fiber mass fraction on tensile properties of carbon fiber composites

碳纤维质量分数对碳纤维复合材料弯曲性能的影响如图6所示。从熔体温度影响规律上看，随着碳纤维质量从0增加至25%，熔体温度为250℃、260℃和270℃的碳纤维复合材料的弯曲模量先增加后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值，且相同碳纤维质量分数下，熔体温度越高则碳纤维复合材料的弯曲模量越大；
从模具温度影响规律上看，随着碳纤维质量从0增加至25%，模具温度为50℃、60℃和70℃的碳纤维复合材料的弯曲模量先增加后减小，当模具温度为50℃、60℃和70℃时，分别在碳纤维质量分数为20%、20%和15%时取得最大值；
从注射速率影响规律上看，随着碳纤维质量从0增加至25%，注射速率为150g/s、200g/s和250g/s的碳纤维复合材料的弯曲模量先增加后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值。且相同碳纤维质量分数下，注射速率越大则碳纤维复合材料的弯曲模量越大；
从注射压力影响规律上看，注射压力为180MPa、210MPa和240MPa的碳纤维复合材料的弯曲模量先增加后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值。且相同碳纤维质量分数下，碳纤维复合材料的弯曲性能随着碳纤维质量分数的影响规律基本与拉伸性能类似，且如果碳纤维质量分数过大（25%），复合材料中的碳纤维会发生一定程度的“团聚”，在产生内应力的同时会降低界面结合性能，因此在受外力作用下，复合材料中的应力不能有效传递而造成弯曲性能降低[14]。综合而言，碳纤维复合材料中碳纤维质量分数为20%时可以取得良好的弯曲性能。

图6 碳纤维质量分数对碳纤维复合材料弯曲性能的影响Fig. 6 Effect of carbon fiber mass fraction on bending properties of carbon fiber composites

碳纤维质量分数对碳纤维复合材料熔接痕处和非熔接痕处力学性能的影响如图7所示，熔体温度260℃、模具温度60℃、注射速率200g/s、注射压力210MPa。从图7可见，熔接痕处试样和非熔接痕处试样的拉伸强度会随着碳纤维质量分数增加先增大后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值，且在相同碳纤维质量分数下，非熔接痕处试样的拉伸强度都明显大于熔接痕处试样；
熔接痕处试样和非熔接痕处试样的弯曲模量随着碳纤维质量分数的增加先增大后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值，且在相同碳纤维质量分数下，非熔接痕处试样的弯曲模量都明显大于熔接痕处试样。由此可见，无论是拉伸强度还是弯曲模量，碳纤维复合材料注塑成型后的非熔接痕处试样的力学性能都要优于熔接痕处试样，因此，在实际注塑成型过程中，应该避免在碳纤维复合材料成型试样中产生熔接痕[15]，这也说明本文采用的SVG工艺具有良好的应用前景。

图7 碳纤维质量分数对碳纤维复合材料熔接痕处和非熔接痕处力学性能的影响Fig. 7 Effect of carbon fiber mass fraction on mechanical properties of carbon fiber composite at weld line and non weld line

（1）采用SVG注塑成型可以消除传统注塑成型工艺下的熔接痕缺陷和气穴缺陷。

（2）随着碳纤维质量分数从0增加至25%，不同熔体温度、模具温度、注射压力和注射速率下碳纤维复合材料的弯曲模量先增加后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得良好综合性能。

（3）随着碳纤维质量分数的增加，熔接痕处试样和非熔接痕处试样的拉伸强度和弯曲模量都表现为先增大后减小，在碳纤维质量分数为20%时取得最大值，且在相同碳纤维质量分数下，非熔接痕处试样的拉伸强度和弯曲模量都明显大于熔接痕处试样。