工艺参数对碳纤维增强ABS复合材料力学性能的影响

杨崇营，王 权，王金荣，杜开辉，吴正环

（天津职业技术师范大学汽车模具智能制造技术国家地方联合工程实验室，天津 300222）

碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有高强度、高模量、重量轻等优点。注射成型是碳纤维增强树脂基复合材料的重要加工方法[1-2]，碳纤维增强树脂基复合材料注射成型工艺简单、成本低，具有广阔的应用前景。碳纤维复合材料注射成型过程中会受到强烈的剪切、拉伸和变形，这将导致碳纤维的断裂和移动，表现出一定的长度分布和方向分布[3-4]。复合材料在成型过程中使得材料内部分子链的排列和原始状态发生改变，导致碳纤维复合材料的聚集态结构改变，进而影响力学性能[5]。复合材料熔体的流动行为与温度、压力和型腔形状密切相关，因此产品在不同的成型条件下会表现出不同的微观结构和力学性能[6]。

目前，市场上主要有长切碳纤维、短切碳纤维和碳纤维粉末[7]。对于长、短切碳纤维，其碳纤维的形态可以承受高强度的力学性能[8]，但是对于复合材料制品，由于碳纤维表面的静电吸附影响，难以均匀地混合碳纤维和基体[9]。粉末状碳纤维的力学性能低于长切碳纤维和短切碳纤维的力学性能，但成本低，成型更容易。注塑成型工艺过程复杂，而且工艺参数对产品的质量影响也比较显著[10]。注塑成型的工艺参数不同，材料的力学性能就不同[11]，ABS 树脂具有良好的耐热性、耐腐蚀性以及易于各种机械工艺加工和成型等优良的综合性能[12]。然而目前，国内对碳纤维粉末增强ABS 复合材料的研究相对较少。本文通过分析碳纤维粉末增强ABS 复合材料的力学性能，研究在不同的注塑条件下碳纤维粉末含量对复合材料力学性能的影响，以期为碳纤维复合材料在生产实践中的应用提供参考。

1 实验

1.1 主要原料

主要原料为ABS：PA-756，台湾奇美有限公司生产；碳纤维（carbon fiber，CF）粉末：CJ-CF300，中国沧州中立新材料科技有限公司生产。

1.2 实验设备

采用双螺杆挤出机：BP-8177-Z，东莞宝品精密仪器有限公司生产；注塑成型机：BOY XS，德国BOY 公司生产；精密烘箱：KL-DHG-9070-A，东莞市昆仑检测仪器有限公司生产；高速混合机：SHR-10A，张家港永利机械有限公司生产；万能材料试验机：KL-WS-30S，东莞昆仑检测仪器有限公司生产。

1.3 样品制备

先将ABS 颗粒在80 ℃的烘箱中干燥2 h，称取CF 的质量分数分别为5%，10%和15%，然后在滚筒式搅拌器中与CF 粉末预混5 min，将预混合的原料加入到双螺杆挤出机中（螺杆转速50 r/min，各区温度分别为200 ℃、220 ℃、240 ℃、240 ℃、240 ℃、240 ℃）。将挤出的复合材料在水槽冷却并使用造粒机切成粒料。在不同的工艺参数下，注塑成型拉伸样条试样。成型拉伸试样尺寸如图1所示。

图1 成型拉伸试样尺寸

实验选取熔体温度、模具温度、保压压力、注射压力4 个参数，注塑成型工艺参数设定如表1所示。

表1 注塑成型工艺参数设定

1.4 性能检测

力学性能测试：拉伸性能和断裂伸长率按GB/T1040—2006 进行测试，采用哑铃型标准样，拉伸速度为10 mm/min。每个注塑成型工艺参数下做3 次实验，每次实验取其平均值，并计算相对误差。

2 结果与讨论

2.1 模具温度的影响

模具温度对不同CF 含量ABS/CF 复合材料力学性能的影响如图2所示。

从图2（a）和（b）可知，试样的拉伸强度随着CF 含量的增加而增大，但试样的拉伸强度随模具温度的升高而降低。模具温度为60 ℃，CF 含量为15%时，复合材料拉伸强度最大为38.3 MPa，增加了10.1%。随着CF含量的不断增加，复合材料的杨氏模量逐渐增大。模具温度为60 ℃时，增加的幅度最大，CF 含量从0 增加到15%时，杨氏模量从1 129 MPa 增加到2 189 MPa。在CF 含量分别为0、5%、15%时，杨氏模量随着模具温度的增加有先增大后减小的趋势。当模具温度为65 ℃，CF 含量为15%时，杨氏模量最大，为2 241 MPa。

从图2（c）可知，ABS/CF 复合材料的断裂伸长率随模具温度的变化而变化，断裂伸长率在一定程度上表征了材料的韧性。随CF 含量增加，ABS/CF 复合材料的断裂伸长率不断减小。当模具温度为60 ℃时，减小的幅度最大，从4.7%减小到1.8%。CF 含量在5%和15%时，随着模具温度的增加，断裂伸长率有先减小后增大的趋势。当模具温度为65 ℃，CF 含量为15%时，断裂伸长率最小，为1.69%。不同的模具温度下，随着CF 含量的提高，ABS/CF 复合材料的拉伸强度和杨氏模量均有增大，断裂伸长率不断下降。这是因为CF 粉末的增加，使得基体的韧性降低[13]。模具温度的升高使其拉伸强度减小，对纯ABS 试样断裂伸长率影响较大，而对复合材料影响较小。

2.2 保压压力的影响

保压压力对不同CF 含量复合材料力学性能的影响如图3所示。从图3（a）可以看出，保压压力对不同CF 含量复合材料拉伸强度的影响。在保压压力为120 MPa 时，试样的拉伸强度随CF 含量的增加而增大。碳纤维含量在5%和15%时，随着保压压力的增加，拉伸强度先增大后减小。当CF 含量为0 和10%时，随着保压压力的增加，拉伸强度先减小后增大。当CF 含量为10%时，拉伸强度最大，为41.5 MPa。

图2 模具温度对不同CF 含量ABS/CF 复合材料力学性能的影响

从图3（b）可以看出，不同配比ABS/CF 复合材料的杨氏模量随保压压力变化的趋势。当CF 含量为0和15%时，复合材料的杨氏模量随着保压压力的增加先增大后减小。当保压压力在120 MPa 时，杨氏模量随着CF 含量的增加不断增大。在保压压力为120 MPa和130 MPa 时，杨氏模量随着CF 含量的增加先减小后增大。当保压压力为140 MPa，CF 含量为15%时，杨氏模量最大，为2 347 MPa。

图3 保压压力对不同CF 含量ABS/CF 复合材料力学性能的影响

从图3（c）可以看出，不同ABS/CF 复合材料的断裂伸长率随保压压力的变化情况。随着CF 含量的增加，复合材料的断裂伸长率不断减小。当保压压力为120 MPa 时，断裂伸长率减小的幅度最大，从4.47%减小到1.8%，减小幅度为59.7%。随着保压压力的增加，纯ABS 试样断裂伸长率减小幅度最大，5%碳纤维含量试样的断裂伸长率随着保压压力的增加略有增大。随着CF 含量的增加，ABS/CF 复合材料的杨氏模量有先增加后减小的趋势，断裂伸长率不断下降，脆性增加，但拉伸强度受保压压力的影响较大，保压压力的提高能大幅度提高10%含量的CF 复合材料的拉伸强度。

2.3 熔体温度的影响

熔体温度对不同CF 含量ABS/CF 复合材料力学性能的影响如图4所示。

图4 熔体温度对不同CF 含量ABS/CF 复合材料力学性能的影响

从图4（a）可知，拉伸强度随CF 含量的增加而增大。当CF 含量分别为5%和10%时，试样的拉伸强度非常接近。当CF 含量为15%时，拉伸强度明显增大。当CF 含量为0 时，拉伸强度随熔体温度的增加而减小。当熔体温度为250 ℃，CF 含量为15%时，拉伸强度最大，为38.2 MPa。从图4（b）可知，不同配比ABS/CF复合材料的杨氏模量随熔体温度变化的趋势。当熔体温度为250 ℃和260 ℃时，杨氏模量随CF 含量增加而增大。当熔体温度为255 ℃和265 ℃时，杨氏模量随CF 含量的增加先减小再增大。CF 含量为10%时，杨氏模量随着熔体温度的升高没有明显的变化，CF 含量为15%时，有先增大后减小的趋势。熔体温度260 ℃，CF含量为15%时，杨氏模量最大，为2 350 MPa。从图4（c）可知，随着CF 含量的增加，断裂伸长率逐渐减小。纯ABS 试样断裂伸长率最大。当CF 含量为15%时，断裂伸长率略有下降，而后随着熔体温度的升高略有增加。随着熔体温度的增加，复合材料的拉伸强度有先减小后增大的趋势；随着CF 含量的增加，复合材料的拉伸强度和刚性有所增加，但韧性减小。

2.4 注射压力的影响

注射压力对不同CF 含量ABS/CF 复合材料力学性能的影响如图5所示。

图5 注射压力对不同CF 含量ABS/CF 复合材料力学性能的影响

从图5（a）可知，拉伸强度随CF 含量的增加而增大，拉伸强度随注射压力的增加而减小。当CF 含量为10%时，试样的拉伸强度先增大，然后拉伸强度随注射压力的增加而减小。当CF 含量为15%时，拉伸强度向相反方向变化，拉伸强度最大为38.2 MPa。

从图5（b）可知，杨氏模量随CF 含量的增加而增大。当CF 含量为5%时，试样的杨氏模量随注射压力的增加先增大后减小。当CF 含量为10%时，杨氏模量向相反方向变化。当CF 含量为15%时，杨氏模量略有增加，然后随注射压力增加略有减小，其中纯ABS 试样增加的幅度最大，杨氏模量最大为2 243 MPa。

从图5（c）可知，断裂伸长率随着CF 含量的增加而减小。当CF 含量为10%时，试样的断裂伸长率先增大后随注射压力的增加而减小，当CF 含量为5%时，断裂伸长率向相反方向变化。CF 含量为0 时，断裂伸长率随注射压力的增加迅速减小，而后略有增大。在不同注射压力下，ABS/CF 复合材料随着CF 含量的增加，拉伸强度和杨氏模量均有不同程度的增大，且断裂伸长率明显减小，韧性变差。

3 结 论

（1）随着CF 含量的增加，ABS/CF 复合材料的拉伸强度和杨氏模量逐渐增大；复合材料的断裂伸长率则随着CF 含量的增加而减小。

（2）通过注塑成型，4 个工艺参数——模具温度、保压压力、熔体温度和注射压力均对纯ABS 试样的断裂伸长率影响较大。保压压力140 MPa 与保压压力120 MPa 相比，纯ABS 试样的断裂伸长率减小幅度最大，减小了36.7%。CF 含量为10%时，保压压力的增加极大地提高了复合材料的拉伸强度。保压压力为150 MPa，CF 含量为10%时，拉伸强度最大，为41.5 MPa。模具温度、熔体温度和注射压力对ABS/CF 复合材料的拉伸性能影响幅度较小。