SMC与PCM组合模压件的力学性能

贾志欣，刘立君，李继强，王少峰，彭河

(1.浙大宁波理工学院，浙江宁波 315100； 2.宁波益普乐模塑有限公司，浙江宁波 315615)

复合材料具有密度小、比强度高、比模量大且可设计的优势，在航空航天、汽车工业、建筑建材和医学等领域得到广泛应用[1-4]。玻璃纤维增强树脂基复合材料具有较低的制造成本和良好的力学性能，是广泛应用的复合材料[5]，许多学者从材料制备及性能测试角度开展了研究。卫新亮等[6]研究了玻璃纤维增强树脂基复合材料搭接-缝合后的剪切性能；李德等[7]、李益俊等[8]、张娟等[9]、李宁等[10]分析了玻璃纤维添加量对复合材料结构成型与力学性能的影响；卢军凯等[11]、刘小祥等[12]、胡章平[13]制备了连续玻璃纤维增强的复合材料并分析了其力学性能；刘阔等[14]采用玻璃纤维增强不饱和聚酯基复合材料，研究了玻纤含量、成型压力对模压件的拉伸、冲击性能的影响，为原料选择及模压成型工艺参数确定提供了参考。

目前，玻璃纤维增强复合材料主要有短切玻纤增强片状模塑料(SMC)和连续玻璃纤维增强环氧树脂基预压料(PCM)，吴凤楠等[15]结合具体模压成型制品进行了力学性能分析，采用环氧树脂基短切玻纤增强SMC料与正交网格编织的连续玻璃纤维增强PCM料模压成型盒子制品，切割了不同部位和取向的试样，对比分析了拉伸、弯曲性能，发现对应部位PCM料成型的盒子力学性能比SMC料的高3 ～6倍，但PCM料模压成型的制品拉伸、弯曲性能各向异性显著。

由于连续玻纤增强PCM料价格高，笔者从优化制品性能、节省成本角度出发，组合使用环氧树脂基SMC与PCM料，模压相同的盒型件，研究了其拉伸、弯曲和冲击性能并总结了规律，并分析了原因，可为复合材料组合选用进行制品模压生产提供依据。

1 实验部分

1.1 主要原材料

SMC：0400 H-14 NAT 01150，玻璃纤维长度25 mm，玻璃纤维质量分数为(29±2)%，律通复合材料(上海)有限公司；

PCM：EV101-UL-40%-EWR400-400gsm，连续玻璃纤维，正交编织，玻璃纤维质量分数为(29±2)%，江苏恒神股份有限公司。

1.2 主要仪器及设备

液压机：200T 型，天津市天锻压力机有限公司；

万能试验机：Zwick/Roell Z030型，德国Zwick公司；

场发射扫描电子显微镜(SEM)：FEI QUANTA 250 FEG 型，美国FEI 公司；

3D激光激光扫描显微镜：OLS5100型，日本奥林巴斯公司；

超景深显微镜：DSX1000型，日本奥林巴斯公司。

1.3 复合材料试验试样的制备

分别采用短切玻璃纤维增强的环氧树脂基SMC料和连续纤维正交编织的环氧树脂基PCM料组合，通过模压成型方法成型出如图1所示的盒状模压制件。制件外形总体尺寸为520 mm×320 mm×69.5 mm，盒子顶部外圆角为R6.5，侧面圆角为R11.5，拔模斜度为3°，壁厚(1.45±0.1) mm，边缘处壁薄。盒子A的材料用量为0.3 kg的SMC料与0.33 kg的PCM料，盒子B的材料用量为0.33 kg的SMC料与0.39 kg的PCM料。

图1 SMC+PCM模压制件外形图

模压时先在凸模上铺好PCM片材，再放置SMC料，按相同的模压工艺参数制备了A、B两个盒子；同时制备纯SMC料盒子C、纯PCM料盒子D用于对比。

针对制备的4个盒型件A，B，C，D，按照GB/T1447-2005、GB/T1449-2005、ISO 179-1-2000的规定，通过数控铣床加工出拉伸、弯曲与冲击试样。试样的切割方案如图2所示。

图2 试样切割图

按照预定的实验方案，在如图2所示的指定位置切割下试验所需的试样编号分组，其中8个拉伸试样，8个弯曲试样。

拉伸试样8个，为L1～L8，其中L1～L4平行于盒子长边x方向，L5，L6平行于短边y方向，L7，L8为与x轴成45°角方向；弯曲试样8个，为w1～w8，其中w1～w3平行于盒子长边x方向；w4和w5平行于盒子短边y方向，w6，w7和w8为与x轴成45°角方向。

1.4 性能测试

拉伸性能按照GB/T 1447-2005，使用气动夹具夹紧试样、引伸计记录延伸率。设置拉伸速度为2 mm/min，拉伸标距为50 mm；

弯曲性能按照GB/T1449-2005，跨距采用16倍的壁厚，对试样以2 mm/min的速度进行连续加载；

形貌采用SEM、3D激光激光扫描显微镜、超景深显微镜进行观察，环境温度为20℃，环境湿度为48% RH。

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

盒子A、B的复合材料试样的拉伸强度测试结果与纯SMC盒子C、纯PCM盒子D的测试结果见表1。

表1 四个模压成型盒子试样拉伸强度测试结果 MPa

4个盒子试样的力学性能均存在差异，表现出一定的各向异性。A，B盒子制件在x向上的拉伸强度在84.6～121.8 MPa，而y向取向试样的拉伸强度为130.7～186.3 MPa，与x向成45°方向试样的拉伸强度最低，最低值为65.8 MPa；A，B，C盒子呈现的规律为y方向的试样拉伸强度最大，其次为x方向试样，45°方向最低，与文献[14]的结果相一致；单纯使用PCM料的盒子试样拉伸强度则是x方向的试样拉伸强度最大，其次为y方向试样，45°方向最低。

对比4个盒子试样的拉伸强度看，不同位置和方向试样的拉伸强度有差别，与单一采用PCM制备试样的拉伸强度(138.2 ～ 532.8Mpa)、单一采用SMC制备试样的拉伸强度(61.9 ～ 125.3Mpa)相比，组合使用SMC与PCM后，试样的拉伸强度优于SMC试样，低于PCM试样，拉伸强度值比单一原料在各方向更趋于均匀，特别是在45°方向有较大改善。

由于两种料组合进行复合模压，A，B拉伸强度平均值约为单用SMC料的1.5倍，单用PCM料的1/3。

从SMC和PCM不同的配料组合看，盒子B试样比盒子A试样的拉伸强度更趋于均匀。

2.2 弯曲性能

盒子A，B试样的弯曲强度测试结果见表2。分析可以看出，盒子A，B不同位置的试样弯曲强度为274.7 ～ 390.6 MPa，两个盒子的45°方向取样的w7的弯曲强度最低，其余试样的弯曲强度分布基本一致。盒子A，B在x，y方向试样比单一用SMC料的C盒子弯曲强度(147.4 ～ 191.9 MPa)高，但比PCM (499.4 ～ 632.8 MPa)稍低。由于两种料组合进行复合模压，A、B弯曲强度平均值约为单用SMC料的2倍，单用PCM料的2/3。

表2 四个模压成型盒子试样弯曲强度测试结果 MPa

2.3 宏观玻璃纤维分布分析

为进一步分析导致力学性能差异的原因，从C，D盒子制品上分别截取4 mm左右的片材，在三维激光扫描和超景深显微镜下观察宏观玻璃纤维分布，结果如图3所示。从图3a可看出，SMC料模压成型后短切玻璃纤维呈簇状无序分布，方向不定，这就造成其拉伸和弯曲性能在不同取样位置和方向的性能有差异；从图3b可看出，PCM料在模压成型后，连续的玻璃纤维保持正交网格分布，因此力学性能在沿纤维分布的方向优异，但在45°方向薄弱。

图3 试样的宏观玻璃纤维分布

2.4 微观断口形貌分析

为进一步分析断裂性质，分别对SMC试样和PCM试样断口进行了SEM分析，结果如图4所示。

图4 试样的SEM断口形貌

由图4a可看出，SMC试样断口既有散乱的玻璃纤维脆性断裂，也有玻璃纤维从基体树脂的剥离。纯SMC盒子试样中的玻璃纤维呈现簇状无序分布，没有明显的方向性，在45°和x方向的拉伸性能相差不大；但在模压成型流动过程中，位于y方向部位的两个试样L5和L6，由于树脂带动纤维要跨越弯曲角部位，导致纤维在该部位聚集并呈现沿y向分布[16]，造成SMC试样L5和L6的拉伸强度明显提高。复材试样弯曲强度不仅和纤维分布有关，还和试样表面质量有关，各SMC试样的弯曲强度相差不大。

由图4b可看出，PCM试样由于连续玻璃纤维的正交分布，呈现出断口的同向一致性脆性断裂以及与基体树脂剥离。PCM原料中的玻璃纤维为正交铺放的连续纤维，由于成型后x方向纤维密度比y方向的纤维密度高，导致x方向的拉伸强度和弯曲强度均大于y方向的，在45°方向为最薄弱，拉伸强度、弯曲强度均低于x，y方向。

当两种料组合使用后，由于无序分布的短切簇状玻璃纤维与正交分布的连续玻璃纤维共同作用，拉伸强度与弯曲强度呈现出均匀化的效果，在45°方向尤其显著。

3 结论

从PCM料与SMC料组合使用模压盒子制品取样的拉伸、弯曲性能测试结果表明：

(1) PCM与SMC组合料盒子试样取自制品的不同位置，拉伸强度有显著变化，表现出一定的各向异性，呈现的规律为y方向的试样拉伸强度最大，其次为x方向试样，45°方向最低；弯曲强度有变化，但变化不大。

(2) 从PCM与SMC组合料盒子试样的拉伸强度与弯曲强度分析，两种料组合的模压制品力学性能优于SMC试样，但低于PCM试样；与单用PCM与SMC模压制品相比，PCM与SMC组合料混合后的力学性能不同位置差距减小，即各向异性差距减小，具有较好的综合力学性能和成本优势。

(3)模压成型后制品中短切玻璃纤维分布、聚集程度和连续正交玻璃纤维分布状态是导致模压制品不同位置试样力学性能差异的主要原因。