環氧樹脂/碳纖維復合材料模壓制品翹曲變形的影響因素分析

趙川濤，賈志欣，劉立君，李繼強，張臣臣，榮 迪，高利珍，3，姚吉爾

（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.浙江理工大學 杭州 310018；4.寧波天龍電子股份有限公司，浙江 寧波 315336）

0 前言

碳纖維增強復合材料（carbon fiber-reinforced plastic，CFRP）憑借其優異的性能可替代傳統的金屬材料，可以生產輕量化、高性能的零部件［1-5］。EP/CFSMC 是一種以碳纖維為增強體，環氧樹脂為基體的新型復合材料，制品通常由預浸料模壓成型制品［6-7］，翹曲變形是模壓制品的常見缺陷。

針對翹曲變形缺陷，劉振東等［8］研究了復合材料層壓板成型中固化參數對翹曲變形的影響，較慢加熱速率引起的變形減少了7 %，而其他參數對工藝誘導變形的影響較小。P T 等［9］研究了層厚對碳纖維/環氧樹脂復合材料層合板固化微殘余應力的影響，薄層層壓板在固化過程中表現出有益的約束作用。張紀奎等［10］采用整體-子模塊化方法建立了描述復合材料固化全過程的三維有限元模型，分析了固化工藝、結構設計和模具等因素對固化變形的影響方式和程度。岳廣全等［11］通過實驗得到不同構件尺寸以及不同固化壓力下剪切層的性能參數，并且由此建立的剪切層模型能夠準確地模擬構件的固化變形；Li Jun等［12］建立了三維增量黏彈性本構模型來分析冷卻速率對T形復合材料構件殘余應力及翹曲變形的影響；Raford 等［13］通過實驗觀察到壓實過程導致試樣內部樹脂分布不均，采用經典層合板理論證明樹脂含量分布不均會導致試樣產生翹曲變形；戴棣等［13］研究了材料內部的溫度梯度引起的固化不同步，進而導致復合材料的翹曲變形；Brauner等［14］提出了一種復合材料多翼梁襟翼結構上的固化模擬分析方法，翹曲變形取決于樹脂的熱膨脹和收縮。上述研究表明復合材料工藝參數、樹脂含量等對翹曲變形有很大影響。模壓制品孔隙、纖維分布會對制品固化過程產生影響，進而影響產品的變形［15-18］；楊雷等［19］發現纖維隨機分布情況下的最大熱殘余應力明顯大于纖維周期性分布的最大熱殘余應力，說明了纖維分布的方式會對變形產生影響；易新等［20］發現不添加玻纖的情況下阻燃PA66復合材料的翹曲度最小，隨著玻纖含量增加會引起翹曲的增大；上述說明復合材料的纖維含量和分布也對翹曲變形有很大的影響。

針對成型工藝參數、纖維分布及孔隙對復合材料模壓制品翹曲變形有較大影響，本文通過設計正交實驗制備了平板模壓制品，探究了工藝參數、孔隙、纖維的分布等對翹曲變形的影響規律，為改善模壓制品性能提供一定的理論依據。

1 實驗部分

1.1 主要原料

EP/CF-SMC，纖維質量分數50 %，纖維長度25.4 mm，其成分主要包括環氧樹脂、短切碳纖維以及各類添加劑等，常州市螢火蟲復合材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

壓力機，YT71S-100A，天津市天鍛壓力機有限公司；

模溫機，ADDM-36，蘇州奧德機械有限公司；

模具，自行設計的平板模具，制品長寬為400 mm×200 mm，厚度可調，寧波益普樂模塑有限公司；

三坐標測量機，GLOBALIMAGE998，青島海克斯康智能制造技術有限公司；

工業CT 機，TOMOSCOPE L300，德國Werth 有限公司。

1.3 樣品制備

選定模壓溫度、模壓壓力、保壓時間、合模速度4個關鍵工藝參數設計正交試驗，故選用L16(45)為5 因素4 水平正交表，正交實驗水平表如表1 所示。將剪切好的SMC 放置于模具中，按照正交實驗設置模壓工藝參數，制備16 組工藝參數下的平板制品（400 mm×200 mm×4 mm）。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factor level table of orthogonal test

1.4 性能測試與結構表征

1.4.1 模壓工藝參數測量方法

保壓時間和合模速度可以直接從模壓系統進行設置以及讀取，模壓溫度和模壓壓力通過溫度傳感器和壓力傳感器進行測量讀取。3 個壓力傳感器分別安裝在平板模具的短邊、長邊和直角處，如圖1 所示，可全面地監測模具內部的實時壓力分布，為后續對制品翹曲變形的研究提供數據；在平板模具的不同位置安裝了8 個溫度傳感器，溫度傳感器1～4 安裝在下模，5～8 安裝在上模，形成兩條相交的對角線，如圖2 所示，這種布置方式有助于準確地監測模具內部溫度分布。

圖1 壓力傳感器安裝位置分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the installation location distribution of the pressure sensor

圖2 溫度傳感器安裝位置分布示意圖Fig.2 Schematic distribution of temperature sensor installation locations

1.4.2 制品翹曲量的測量方法

采用三坐標測量儀，測定平板制品表面的高度，通過計算平板制品的平面度對其翹曲變形的程度進行表征。測量過程如圖3～4 所示，以平板制品的長邊為X軸，短邊為Y軸，平板上靠近XY軸原點的某一點作為Z軸的零點，建立坐標系，每個測量點之間的橫縱坐標間隔均為38 mm，共測量62個點坐標，使用探針測量制品不同位置的高度。采用最小二乘平面法擬合出測量點所構成的基準平面，并以測量點到該基準平面的最大距離來確定平面度。

圖3 三坐標測量儀測量實物圖Fig.3 Physical drawing of a CMM measurement

圖4 翹曲量測量點坐標示意圖Fig.4 Schematic diagram of the coordinates of the warpage measurement point

2 結果與討論

2.1 工藝參數對EP/CF-SMC模壓制品翹曲變形影響

2.1.1 正交實驗結果

根據正交實驗方案，如表2 所示，每組工藝參數制作5件，共制備16×5共80塊制品。通過最小平面法來表征相同工藝參數下的平板制件翹曲量并取平均值得到最終值，結果見表2，Fa表示每組工藝參數下翹曲量，Sa表示每組工藝參數重復五次得到的翹曲量的標準差，16組平板制品翹曲量的范圍在0.302～1.290 mm。

表2 正交實驗方案及結果Tab.2 Orthogonal protocol for molding process parameters

2.1.2 正交實驗方差分析結果

翹曲量的正交實驗方差分析結果如表3所示，模壓壓力P的顯著性水平為0.013 小于0.05，合模速度v的顯著性水平為0.086 小于0.1，而模壓溫度T和保壓時間t的顯著性水平均大于0.1；說明模壓壓力對模壓制品的翹曲量有顯著性影響，合模速度v在0.05 水平不顯著，但是在0.1 水平下顯著；模壓溫度和保壓時間對翹曲量實驗結果的影響不顯著。各因素的F值為：FT=3.818，FP=25.127，Ft=4.757，Fv=6.072；根據F值大小可判斷各因素對翹曲影響的主次順序為：模壓壓力P>合模速度v>保壓時間t>模壓溫度T。

表3 翹曲量的正交實驗方差分析表Tab.3 Orthogonal experimental ANOVA of the warpage

2.1.3 工藝參數對制品翹曲變形的影響

各工藝參數對制品翹曲影響的鄧肯多重比較結果如表4 所示，當模壓溫度為140 ℃，即第二水平時，制品翹曲量最小為0.683 mm，模壓溫度4 水平之間差異在0.1 下顯著。當模壓壓力為第1 水平時，其翹曲量最小為0.554 mm，并與第3、第4 水平之間的差異性顯著。當保壓時間為第1水平，即540 s時，成型制品的翹曲量最小為0.689 mm，結果顯示第1 水平和第4 水平之間有顯著性差異。當合模速度為第2水平時，即5 mm/s，平板制品的翹曲量最小為0.677 mm；合模速度的第1 水平和第2 水平之間存在顯著性差異，兩子集均在0.1水平下顯著。

翹曲量隨模壓溫度的變化如圖5（a）所示，翹曲量呈現出先降低再增大再降低的趨勢。當模壓溫度較低時，樹脂流動性不足，填充模具困難，產生氣泡區域，會導致制品內部產生一定應力，從而導致制品翹曲量較高；隨著模壓溫度的提高，樹脂流動性增加，有利于減小內應力，降低翹曲量；但是當模壓溫度進一步增加時，樹脂固化加快，導致樹脂對纖維的浸潤不夠充分，導致內部應力增大，從而使翹曲量增加。當模壓溫度升高到一定程度時，樹脂的流動性大大提高，碳纖維與樹脂之間的浸潤性增強，制品內部的應力可以得到更好的釋放，翹曲量再次降低，但是仍然高于模壓溫度為140 ℃時的制品翹曲量。

圖5 翹曲量隨各工藝參數的變化趨勢圖Fig.5 Trend plot of the warpage with various process parameters

翹曲量隨保壓時間的變化如圖5（c）所示，平板制品的翹曲量總體上呈現逐漸增加的趨勢。這是因為當保壓時間適中時，樹脂與纖維的浸潤和黏附作用得到改善，制品內部的應力得到釋放；當保壓時間過長時導致樹脂和碳纖維在模具內過度固化，冷卻時材料收縮不均，熱應力難以得到充分的釋放，從而導致制品內部的應力分布不均勻，增加制品的翹曲量。

翹曲量隨合模速度的變化如圖5（d）所示，平板制品的翹曲量總體上呈現出先降低再增加再降低的趨勢。當合模速度較慢時，樹脂在模具中填充的速度較慢，導致固化不均勻，從而使制品內部應力分布不均，翹曲量較大。當合模速度適中時，SMC 在模具中的填充速度得到提高，能夠更好地排除材料內部空氣及揮發氣體，減少制品缺陷，制品內應力分布更加均勻，翹曲量隨著合模速度的增加開始呈現出下降趨勢。但是當合模速度進一步增加時，預浸料會受到模具閉合時沖擊的高壓，樹脂流動速度過高，對碳纖維的浸潤并不充分，產生孔隙等缺陷，導致制品內部產生較大應力從而使翹曲再次增加。

2.2 EP/CF-SMC制品翹曲變形機理分析

EP/CF-SMC制品由碳纖維增強體和環氧樹脂基體組成，兩種成分屬性各異，其模量、強度、熱膨脹系數有很大差異，因此在模壓成型過程中由于組分材料的熱膨脹不匹配、化學收縮以及固化不均勻等原因導致翹曲的產生。為了能夠更全面地分析EP/CF-SMC制品的翹曲變形，不僅要從工藝參數上優化制品的翹曲程度，更要從纖維分布、孔隙等方面進行分析，分析制品翹曲變形產生的機理，以確保制品在制造過程中具有更好的質量。

2.2.1 纖維分布對制品翹曲的影響

為了探究纖維分布對制品翹曲的影響，制備在相同工藝參數下厚度分別為2、3、4、5 mm 的EP/CFSMC 制品，測得其翹曲量如表5所示，根據測得平板制品上的三維點坐標，用MATLAB繪制不同厚度制品翹曲量的三維三角曲面，如圖6 所示，平板制品均呈現不同程度的中間凹、兩邊翹的C 形翹曲形態，隨著厚度增加，制品的翹曲變形減少。這是因為較厚的制品具有更大的剛性，可以更好地抵抗由于內部應力引起的翹曲，同時較厚的制品在升溫和冷卻過程中能夠更好地保持溫度分布的均勻。雖然增加厚度能夠降低制品的翹曲量，但是過厚的制品會導致加工困難、成本提高和生產效率降低等問題，因此在實際設計和生產過程中，還要權衡各種因素，選擇適當的厚度來滿足制品的性能和質量要求。

圖6 不同厚度制品的翹曲量三維曲面圖Fig.6 Three-dimensional surface diagram of the warpage of products of different thicknesses

表5 翹曲量隨厚度變化表Tab.5 Warpage as a function of thickness

環氧樹脂作為一種非晶態塑料，由于在充填過程中受到模具施加的壓力，其流動過程如圖7 所示。當樹脂受熱熔融時，分子之間的相互吸引力變弱，允許樹脂分子在剪切力的作用下發生流動，分子取向與EP/CF-SMC 材料流動方向一致，當預浸料充滿模具型腔停止流動時，環氧樹脂分子之間的作用力又促使其回到最初的無序狀態，即使材料固化，分子與分子之間仍然保持相互靠近的趨勢，導致材料的內部應力分布不均勻，從而引起翹曲的產生。碳纖維相對于環氧樹脂具有更高的熱穩定性，碳纖維的含量增加有助于提高材料的機械強度，并在固化過程中抵消了因分子取向不同而引起的制品收縮，可以減輕翹曲問題。

圖7 EP/CF-SMC流動分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of the flow distribution of EP/CFSMC

觀察到厚度為2 mm 時與厚度為5 mm 的制品其翹曲變形差異較大，為了進一步探究這一現象，將EP/CFSMC 模壓平板制品進行切割，如圖8所示，并分別測量兩平板制品不同位置試樣的纖維含量，結果如圖9 所示。當厚度為5 mm 時制品內部的纖維分布更加均勻，而當厚度為2 mm 時制品內部的纖維分布差異性更大，這是因為對于較厚的制品需要更多的EP/CF-SMC 材料，其流動過程中則需要克服更大的摩擦阻力，這有利于碳纖維帶動環氧樹脂分子均勻地流動，導致分子的取向更為無序，因此固化后分子相互靠近的趨勢減弱；相比之下，在流動過程中較薄的制品需要克服的摩擦阻力較小，有利于環氧樹脂分子更自由地流動，造成固化后分子間的作用力增大，并且由于碳纖維的含量分布更為不均勻，使得制品對翹曲變形的抵抗能力較低。因此，制品的厚度較小時，翹曲更為顯著。

圖8 平板制品切割取樣示意圖Fig.8 Schematic diagram of cutting sampling of flat products

圖9 不同位置試樣的纖維體積分數Fig.9 Fiber fraction of the flat products at different site

2.2.2 孔隙對制品翹曲的影響

參照喹諾酮類藥物的說明書、《抗菌藥物臨床應用指導原則》及相關的《處方管理辦法》對全部處方進行評價，將不合格處方篩出，并進做統計、分析和總結，不做藥學干預。

為進一步分析平板制品內部孔隙結構對其翹曲的影響，使用工業CT 對厚度為4 mm 的平板制品進行掃描，CT 掃描可以計算出每個樣本區域的孔隙率，將正方形試樣切割成長寬厚為40mm×15mm×4mm 的長方體試樣。對于每一塊試樣，沿著其長度方向以2 mm間隔對試樣的截面進行取樣，共得到20 個4 mm×4 mm的截面樣本，CT掃描方案示意如圖10所示。

圖10 CT掃描方案示意圖Fig.10 Schematic diagram of CT scanning protocol

將該試樣的20個截面的孔隙率平均值作為該試樣的孔隙率，每個試樣的平均孔隙率如圖11所示，處于平板制品中間的試樣3～6的孔隙率要小于處于平板制品兩端的試樣1、2 和7、8。這是因為在模壓過程中，樹脂從模具的中心向兩側流動，由于制品中間部分的樹脂流動距離較短，而制品兩端的樹脂流動行程較長，在這個流動過程中預浸料會夾雜一些氣體引起制品產生孔隙，從而導致靠近制品邊緣的孔隙率相對較高。平板制品孔隙率的分布與其發生C 形翹曲的現象存在一定的關系，在生產過程中，應該盡量提高平板制品內部孔隙分布的均勻性，使得制品內部應力的分布更加均勻，有助于降低平板制品的翹曲現象。

圖11 平板制品不同位置試樣的孔隙率Fig.11 Porosity of specimens at different positions of the flat products

通過觀察位于制品邊緣和中心的試樣的孔隙率分布形態，發現兩者呈現出不同的孔隙形態分布特征，如圖12 所示，位于制品中心的試樣3，如圖12（a）所示，其孔隙分布更加均勻，而位于制品邊緣的試樣2，如圖12（b）所示，其孔隙沿著層間擴展，形成一條一條的帶狀孔隙簇，這種孔隙分布特征的不同導致了平板制件中心和邊緣的內應力不同，進一步促進了制品翹曲的產生。

圖12 不同位置的孔隙形態分布特征Fig.12 Pore morphological distribution characteristics at different locations

2.2.3 模具溫度對制品翹曲的影響

溫度傳感器記錄了模壓過程中前500 s 中的模具溫度分布數據，并計算上模和下模型腔內部4個溫度傳感器的平均溫度，如圖13所示。從溫度變化曲線來說，可以觀察到溫度曲線呈現出先降低再升高的過程，這是因為常溫下的預浸料放入模具之后，需要吸收熱量，隨著時間的延長，溫度逐漸回歸平衡。同時發現上模的平均溫度要高于下模的平均溫度，EP/CF-SMC模壓制品在厚度方向上兩側受到的模溫不一致，溫度較高一側制品收縮較大，而溫度較低一側制品收縮較小，從而產生了一個彎曲力矩導致制品產生了C 形翹曲。模具型腔內部溫度分布與加熱油管分布有關，需要在模具設計過程中，對加熱油管管路進行優化，盡可能地降低模具型腔內部溫度分布的不均勻。

圖13 模腔內部溫度隨時間變化圖Fig.13 Diagram of the temperature inside the mold cavity over time

2.2.4 模腔壓力對制品翹曲的影響

在EP/CF-SMC 模壓成型過程中，如果壓力分布不均勻，會導致EP/CF-SMC 的局部應力不均衡，引起樹脂固化收縮不均勻。當模壓壓力從400 kN 增加到700 kN時，3個壓力傳感器由壓力傳感器記錄的壓強變化曲線如圖14所示，壓強曲線呈現出現急劇升高，然后降低再逐漸穩定的趨勢。隨著保壓時間的延長，型腔內中間位置的所受到的壓強逐漸降低直至制品不同位置所受到的壓強大概相當，傳感器所受到的壓強大小為：傳感器2>傳感器3>傳感器1。

圖14 模腔壓強隨保壓時間變化圖Fig.14 Variation of the mold cavity pressure with holding time

壓強曲線說明位于中間位置的預浸料其所受到的壓強最大，這是因為預浸料放置在模具型腔中部，首當其沖受到最大的壓力，隨后預浸料開始流動充型，再將壓力傳遞至模腔內其他位置；同時傳感器3的壓強要略大于傳感器1，這是因為處在直角處的預浸料還受到型腔壁的反作用力。由于制品中間部分受到的壓力相對較大，兩端受到的壓力相對較小，這種保壓過程中壓力不均勻會在固化過程中引起制品收縮不均衡，使其產生了C形翹曲變形。

3 結論

（1）通過正交實驗結果表明制品的翹曲量為0.302～1.290 mm，影響翹曲變形的顯著性因素為模壓壓力，模壓成型工藝參數對于翹曲變形的影響大小：模壓壓力P>合模速度v>保壓時間t>模壓溫度T；

（2）適當的模壓溫度和模壓壓力有助于提高樹脂流動性，使樹脂對碳纖維充分浸潤，有利于減小內應力，降低翹曲量；適當的保壓時間可以改善樹脂和纖維的浸潤和黏附作用，減小內部應力，但過長的保壓時間可能導致過度固化和不均勻的冷卻，增加翹曲量。適當的合模速度能夠使填充速度得到提高，能夠更好地排除材料內部空氣及揮發氣體，減少制品缺陷，制品內應力分布更加均勻，能夠降低翹曲量。

（3）平板制品呈現出C 形翹曲形態，隨著厚度的增加制品的翹曲變形減少，制品的纖維分布變得更為均勻，靠近制品中心的試樣孔隙率相對邊緣較低，且孔隙在厚度方向上的分布更為均勻；上下模溫差、制品中部及兩端所受的壓力不同使制品產生C 形翹曲，在制造過程中降低溫度和壓力分布的不均勻性，可以改善制造過程中的材料流動和冷卻行為，減少翹曲變形的風險，從而獲得更高質量的成品。