新型建筑用碳纖維復合材料的注塑成型與工藝優化

（天津市規劃和自然資源局薊州分局 ，天津 301900）

碳纖維樹脂基復合材料具有比強度高、耐熱性能好以及具有很高的施為能力等特性，其中，碳纖維是由結晶形態的碳原子聚起形成的細長碳原子束組成，像紗線一樣將碳纖維擰起來，交織到面料或模壓中永久塑形可以用來制造各種建筑裝飾用材等[1]。隨著近年來建筑工業的快速發展和人民生活水平的不斷提高，碳纖維復合材料在建筑上的應用也逐漸形成規模化，這就要求與之相匹配的生產工藝，然而實際制備過程中碳纖維含量及注塑成型工藝都會對最終產品的成型質量產生重要影響[2]，如何調整注塑成型工藝參數來解決建筑用碳纖維復合材料制品的翹曲小、體積收縮率低和縮痕小的問題，是當前碳纖維樹脂基復合材料在建筑制品中應用的關鍵[3-4]。本文采用正交實驗法考察注塑成型工藝參數對碳纖維/聚碳酸酯基復合材料成型質量的影響，結果有助于高綜合性能和高成型質量的碳纖維復合材料在建筑等領域的應用。

1 試驗部分

以日本東麗公司T700SC碳纖維（單絲根數12000、密度1.8g/cm3、纖維直徑7μm、拉伸強度4.9GPa）和北京帕拉姆新型建筑材料有限公司提供的聚碳酸酯（簡稱PC，密度1200kg/m3、拉伸強度66MPa、拉伸模量2500MPa、玻璃化轉變溫度154℃、融化起始溫度220℃）為原料，采用注塑成型工藝制備了碳纖維/聚碳酸酯基復合材料，其中，碳纖維體積分數為10%。

基于碳纖維復合材料的材料特性，設計了一種易于翹曲和變形的建筑用薄壁零件（長180mm、寬120mm、高48mm、半圓直徑48mm、厚4mm），并根據碳纖維復合材料的形狀和尺寸，設計了圖1所示的模具，其中，模具材料為45鋼，形式為一模一腔，具體包括定模底板、定模、動模、支架、動模底板、溫控系統、頂桿和澆口。

圖1 模具示意圖Fig. 1 Mould schematic diagram

為了優化注塑成型工藝參數和研究工藝參數之間的交互作用對試件成型質量的影響，采用4因素4水平的L16（44）正交實驗法考察了熔體溫度、注射壓力、保壓壓力和注射時間對碳纖維復合材料試件翹曲總變形、體積收縮率和縮痕的影響，具體工藝參數見表1。

表1 碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的注塑成型正交試驗表Table 1 Orthogonal test table for injection moulding of carbon f iber/polycarbonate matrix composites

2 結果與討論

表2中列出了碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的注塑成型正交試驗結果，主要以試件翹曲總變形、體積收縮率和縮痕為考核指標。

表2 碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的注塑成型正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results of injection moulding of carbon f iber/polycarbonate matrix composites

表3中列出了碳纖維/聚碳酸酯基復合材料以翹曲總變形為考核指標的正交極差分析結果，R反映了相應的注塑成型工藝參數對翹曲總變形的影響，R越大則表示對應的注塑成型工藝參數對試件翹曲總變形的影響越大，由此可以預判注塑成型工藝參數對考核指標影響的主次作用[5-6]。從表3的分析結果可知，對翹曲總變形影響最大的是熔體溫度（A），其次為保壓壓力（C），而注射時間（D）的影響最小。以翹曲總變形為考核指標的碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

表3 翹曲總變形極差分析表Table 3 Range analysis table of total warpage deformation

表4中列出了碳纖維/聚碳酸酯基復合材料以體積收縮率為考核指標的正交極差分析結果，其中R反映了相應的注塑成型工藝參數對體積收縮率的影響，R越大則表示對應的注塑成型工藝參數對試件體積收縮率的影響越大，由此可以預判注塑成型工藝參數對考核指標影響的主次作用。從表4的分析結果可知，對體積收縮率影響最大的是熔體溫度（A），其次為注射壓力（B），而注射時間（D）的影響最小。以體積收縮率為考核指標的碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B4C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為185MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

表4 體積收縮率極差分析表Table 4 Volume shrinkage range analysis table

表5列出了碳纖維/聚碳酸酯基復合材料以縮痕為考核指標的正交極差分析結果，其中R反映了相應的注塑成型工藝參數對縮痕的影響，R越大則表示對應的注塑成型工藝參數對試件縮痕的影響越大，由此可以預判注塑成型工藝參數對考核指標影響的主次作用。

表5 縮痕極差分析表Table 5 Scratch range analysis table

從表5的分析結果可知，對縮痕影響最大的是熔體溫度（A），其次為保壓壓力（C），而注射時間（D）的影響最小。以縮痕為考核指標的碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

采用綜合平衡法（先對每個指標分別進行單指標的直觀分析，得到每個指標的影響因素主次順序和最佳水平組合，然后根據理論知識和實際經驗，對各指標的分析結果進行綜合比較和分析，得出較優方案 [7]）優化碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的最佳注塑成型工藝參數組合為A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

3 結論

（1）以翹曲總變形為考核指標的碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

（2）以體積收縮率為考核指標的碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B4C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為185MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。

（3）以縮痕為考核指標的碳纖維/聚碳酸酯基復合材料的最佳注塑成型工藝為：A4B1C1D2，即熔體溫度為305℃、注射壓力為155MPa、保壓壓力為85MPa、注射時間為3s。