基于極差分析的SMC復合材料模壓工藝參數優化

汪 興，賈志欣，劉立君，李繼強，張臣臣 ，王少峰

（1.浙江大學機械工程學院，杭州 310012；2.浙大寧波理工學院，浙江 寧波 315100；3.寧波益普樂模塑有限公司，浙江 寧波 315615）

0 前言

材料發展水平是衡量一個國家科技與工業發展水平的重要標志。復合材料是指由2種或2種以上性質不相同的材料組合在一起所得到的新型材料，其性能優于單一組分材料性能，并且可以通過基體樹脂改性、鋪層設計等手段來設計其性能。目前，復合材料已經廣泛應用于生產生活的各個領域。復合材料的成型工藝有熱壓罐成型、模壓成型、注射成型等，其中模壓成型的應用廣泛、發展迅速。其工藝流程是指將一定尺寸和質量的預浸料置于模具中，通過加溫加壓的方式，使基體材料熔融并帶動纖維流動充模，最終固化后得到所需產品形狀。在模壓成型過程中，工藝參數能夠直接影響到基體材料對于增強體纖維的浸漬效果，從而影響復合材料制品的性能[1-7]。因此，對于復合材料制品模壓成型工藝參數的研究具有重要的意義。

目前，已有不少的專家學者對復合材料模壓成型工藝開展了相關研究。羅美蘭[7]、代漢達[8]等設計正交試驗探究了時間、溫度與壓力等工藝參數對于復合材料制品力學性能的影響。王在富[9]通過Ansys Polyflow模擬了模壓過程中材料的充型流動過程，并通過實驗探究了工藝參數對于復合材料制品的影響。胡章平[10]通過Design-Expert數據分析軟件設計實驗，建立了工藝參數與制品力學性能的響應面模型，直觀描述了工藝參數對于制品性能的影響。李德[11]、李益俊[12]等通過實驗研究了材料中增強纖維含量對復合材料制品成型結構與力學性能的影響。李浩、邵將[13]等通過實驗研究了玻璃纖維含量及工藝參數對于復合材料制品力學性能的影響。丁小馬[14]研究了不同鋪層方式對于復合材料制品力學性能的影響。唐榮華、楊旭靜[15]等把熱模壓成型過程分為預熱工序、模壓工序和成型操作3個部分，通過實驗優化了工藝參數。

在實際模壓制品生產過程中，進行分段式加壓往往能夠得到不同力學性能的制品。而國內現有研究較多偏向于通過實驗研究模壓溫度、成型壓力、保壓時間等成型工藝參數對于模壓制品力學性能的影響，少有對模壓過程中分階段進行加壓的工藝參數進行研究。本文將保壓過程分為三段進行，通過三段模壓壓力與保壓時間的變化，研究相關參數對于SMC制品力學性能的影響，通過極差分析法得到不同參數與模壓制品力學性能之間的關系，并結合模壓成型過程中材料狀態變化分析其中原因，為SMC材料在實際模壓生產中工藝參數的優化提供了參考依據。

1 實驗部分

1.1 主要原料

SMC材料，5010，材料由長度為25 mm的短切玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂基體及各種助劑組成，玻璃纖維的含量為27%，成型工藝為模壓成型，常州華日新材有限公司。

1.2 主要設備及儀器

復合材料制品液壓機，1000 kN，天津市天鍛壓力機有限公司；

平板模具，模具簡圖如圖1所示，模芯尺寸為200 mm×400 mm，制品厚度為4 mm，寧波益普樂公司；

圖1 模具簡圖Fig.1 Sketch of the mold

萬能試驗機，SANS CMT4204、SANS CMT6103，深圳新三思實驗設備有限公司。

1.3 樣品制備

整個實驗過程中，上模溫度為148℃，下模溫度為145℃，合模速度為2 mm/s，下料質量為(650±5)g，鋪料尺寸為160 mm×320 mm，料在下模居中鋪放。本次實驗旨在探究各個階段保壓壓力、保壓時間對于SMC模壓制品力學性能的影響，選取合適的參數設計得到正交試驗L25（56）的因素水平如表1所示，其中p1、p2、p3為第一階段、第二階段和第三階段的保壓壓力，t1、t2、t3為第一階段、第二階段和第三階段的保壓時間。

表1 正交試驗的因素水平表Tab.1 Factors and levels table of orthogonal test

預浸料經過模壓成型得到平板制品后，經過機加工得到規定類型的試樣。本文以制品中所選取試樣的強度均值來代表整個制品的性能，在試樣選取時綜合考慮了制品的邊緣、中間等不同位置以及取樣方向可能造成的性能差異，以保證實驗結果的合理性，因此，設計試樣切割方案如圖2所示。本次實驗共計25組工藝參數，同一組參數生產2個制品，分別為A類制品與B類制品，共計制備50塊制品。其中，A類制品中取10個沖擊試樣與2個拉伸試樣，B類制品中取10個彎曲試樣與2個拉伸試樣，共計取得拉伸試樣100個，彎曲試樣與沖擊試樣各250個。

圖2 試樣切割方案Fig.2 Cutting plan of the sample

1.4 性能測試與結構表征

拉伸性能測試：采用萬能試驗機，最大實驗力為20kN，測試標準為GB/T 1447—2005，測試環境溫度為20℃，環境濕度為48%RH，設置實驗速度為2 mm/min，拉伸標距為50 mm；

彎曲性能測試：采用萬能試驗機，最大試驗力為1 kN，測試標準為GB/T 1449—2005，測試環境溫度為20℃，環境濕度為48%RH，設置實驗速度為2 mm/min，跨距為64 mm；

沖擊性能測試：采用沖擊試驗機，最大勢能為7.5 J，測試標準為GB/T1043.1—2008，測試環境溫度為20℃，環境濕度為48%RH。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果

設計的正交試驗共25個參數組合，實驗結果如表2所示，其中p1、p2、p3、t1、t2、t3分別代表第一、二、三階段的保壓壓力與保壓時間，σt、σf、acU分別代表拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度，強度值為該參數組合下制品中同一類型試樣強度的平均值。

表2 正交試驗結果Tab.2 Result of the orthogonal test

2.2 拉伸性能分析

由實驗得到的拉伸實驗數據通過極差分析方法得到的結果如表3所示，k1、k2、k3、k4、k5分別是各個影響因素5個水平下的實驗指標，由此可以判別各個影響因素的最差水平與最優水平。R是其極差，表示每個影響因素作用于制品所引起的拉伸強度值的變化范圍，其大小代表了相應因素對于制品拉伸性能的影響程度大小。將6個因素所對應的極差R繪制為圖形得到圖3，從圖3可以直觀地看出各個因素對于制品拉伸強度的影響大小，依次是p3＞t3＞p2＞p1＞t2＞t1，其中第三階段壓力和時間參數對于制品的拉伸強度影響最大，其次是第二階段參數與第一階段參數。

表3 拉伸強度極差分析結果Tab.3 Range analysis results of tensile strength

圖3 拉伸強度的極差值Fig.3 Diagram of range of tensile strength

由圖4可以直觀看出最優組合為(p1)1，(p2)3，(p3)2，(t1)2，(t2)2，(t3)2，其中括號外層下標代表因素水平編號，即第一階段壓力為450 kN，第二階段壓力為550 kN，第三階段壓力為500 kN，第一階段時間、第二階段時間、第三階段時間均為28 s，此時可以獲得抗拉伸性能最好的制品。以該組參數進行驗證實驗，按照圖2所示切割得到拉伸試樣，進行測試后得到的試樣強度均值為92.36 MPa，相較于25組正交試驗中拉伸強度最大值的85.73 MPa提升了7.72%。

圖4 拉伸強度的不同參數水平數據Fig.4 Data graph for different parameters of tensile strength

2.3 彎曲性能分析

運用極差分析方法分析彎曲實驗數據得到表4，并根據表中數據繪制圖5與圖6。

表4 彎曲強度極差分析結果Tab.4 Range analysis results of bending strength

圖5 彎曲強度極差值Fig.5 Diagram of range of bending strength

圖6 彎曲強度不同參數水平數據Fig.6 Data graph for different parameters of bending strength

由圖5可以知道各個因素對于制品彎曲強度的影響大小，依次是t3＞t1＞p3＞p1＞p2＞t2，將時間參數與壓力參數按階段分析可以發現，第三階段參數對于制品彎曲強度影響程度最大，其次是第一階段的參數，而第二階段參數對于制品彎曲強度影響最小。

由圖 6 可以看出最優組合為 (p1)1，(p2)1，(p3)1，(t1)1，(t2)5，(t3)3，即第一階段壓力、第二階段壓力、第三階段壓力均為450 kN，第一階段時間為25 s，第二階段時間為37 s，第三階段時間為31 s，此時可以獲得抗彎曲性能最好的制品。以該組參數進行驗證實驗，按照圖2所示切割得到彎曲試樣，進行測試后得到的試樣強度均值為180.18 MPa，相較于25組正交試驗中彎曲強度最大值的173.78 MPa提升了3.92%。

2.4 沖擊性能分析

運用極差分析方法分析沖擊實驗數據得到表5，并根據表中數據繪制圖7與圖8。

表5 沖擊強度極差分析結果Tab.5 Range analysis results of impact strength

圖7 沖擊強度的極差值Fig.7 Diagram of range of impact strength

圖8 沖擊強度的不同參數水平數據Fig.8 Data graph for different parameters of impact strength

由圖7可知各個因素對于制品沖擊強度的影響大小，依次是p1＞t1＞p3＞t2＞p2＞t3，即對制品沖擊強度影響最大的參數是第一階段的時間與壓力，其次是第二階段、第三階段的壓力，影響最小的是第二階段、第一階段的時間。

由圖 8 可以看出最優組合為 (p1)1，(p2)2，(p3)4，(t1)4，(t2)4，(t3)1，即第一階段壓力為450 kN、第二階段壓力為500 kN、第三階段壓力均為600 kN，第一階段時間與第二階段時間均為31 s，第三階段時間為25 s，此時可以獲得抗沖擊性能最好的制品。以該組參數進行驗證實驗，按照圖2所示切割得到沖擊試樣，進行測試后得到的試樣強度均值為86.12 kJ/m2，相較于25組正交試驗中沖擊強度最大值的80.78 kJ/m2提升了6.61%。

綜合以上結果，可以發現各階段參數對于制品不同力學性能的影響程度也不相同。其中，對于制品的拉伸強度與彎曲強度而言，第三階段參數影響最大；對于制品的沖擊強度而言，第一階段的參數影響最大。這是因為在模壓成型過程中，材料狀態會逐漸發生改變，導致不同階段參數對于材料內部結構與性能產生不同的影響。在模壓成型初始階段，材料會吸收熱量進入黏流態[16]，該階段工藝參數主要影響的是基體樹脂與增強纖維的浸漬程度，合適的參數能夠使得樹脂與纖維間具有良好的結合狀態。當溫度上升到一定程度時，材料會發生固化反應，同時伴隨著體積收縮，當材料完全固化后，其內部會因此而產生大量內應力[17]，此階段工藝參數主要影響的是制品內應力，合適的參數會有效降低制品內應力的存在。在拉伸測試與彎曲測試過程中，實驗機需要以恒定速度作用在試樣上，整個測試過程需要持續一定的時間。在測試過程中，隨著變形量的增加，試樣會在內應力的作用下產生微裂紋并逐步擴散導致試樣失效，因此試樣內應力對其強度影響較大，第三階段參數能夠影響材料內應力進而影響制品強度。而在沖擊測試時，試樣只需經受一個瞬態的載荷，由能量守恒定律計算得到試樣的沖擊強度。在測試過程中，如果試樣內部樹脂與纖維結合強度較高，則試樣遭受破壞時需要將纖維拉斷或者使纖維從基體樹脂中抽出所需的能量較大，試樣沖擊強度較高；反之，如果纖維與樹脂結合性能不好，則試樣沖擊強度較小。因此，能夠影響基體樹脂與增強纖維間浸漬程度的第一階段參數對于制品的沖擊強度影響更大。

3 結論

（1）由于材料在成型過程中狀態的改變以及制品力學性能測試原理差異，導致不同階段參數對于SMC制品不同力學性能的影響也不相同，成型初期階段工藝參數對于制品拉伸強度與彎曲強度影響較大，后期階段工藝參數對于制品沖擊強度影響較大。在實際生產過程中，應根據制品性能要求重點關注對應階段的工藝參數；

（2）對制品拉伸強度影響度大小排序依次是p3＞t3＞p2＞p1＞t2＞t1，其中第三階段工藝參數對于制品拉伸強度影響程度最大。最優工藝參數為(p1)1，(p2)3，(p3)2，(t1)2，(t2)2，(t3)2，即第一階段、第二階段、第三階段壓力為450、550、500 kN，三階段保壓時間均為28 s，此時可以得到拉伸強度為92.36 MPa的制品，相較于實驗中拉伸強度最大值的85.73 MPa提升了7.72%；

（3）對制品彎曲強度影響度大小排序依次是t3＞t1＞p3＞p1＞p2＞t2，其中第三階段工藝參數對于制品彎曲性能影響最大。最優工藝參數為(p1)1，(p2)1，(p3)1，(t1)1，(t2)5，(t3)3，即在 3 個階段壓力均為 450 kN，第一階段、第二階段和第三階段時間為25、37、31 s，此時可以得到彎曲強度為180.18 MPa的制品，與實驗中彎曲強度最大值的173.38 MPa相比提升了3.92%；

（4）對制品沖擊強度影響度大小排序依次是p1＞t1＞p3＞t2＞p2＞t3，其中第一階段參數對于制品沖擊性能影響最大。最優工藝參數為(p1)1，(p2)2，(p3)4，(t1)4，(t2)4，(t3)1，即第一階段、第二階段、第三階段壓力為450、500、600 kN，第一階段、第二階段和第三階段時間為31、31、25，此時可以得到沖擊強度為86.12 kJ/m2的制品，與實驗中沖擊強度最大值的80.78 kJ/m2相比提升了6.61%。