SMC 与PCM 复合材料模压件力学性能

吴凤楠，刘阔，贾志欣，李继强，刘立君，王少峰，彭河

(1.浙江大学机械工程学院，杭州 310012； 2.浙大宁波理工学院，浙江宁波 315100； 3.宁波益普乐模塑有限公司，浙江宁波 315615)

复合材料具有各组分独自所不具有的优良性能，凭借其力学性能好、密度小、比强度高的优点在汽车车身、航空航天及建材领域展现出良好的应用前景[1–3]。复合材料的制备、成型工艺、制品是近年研究的热点。

模压成型[4]是复合材料成型方法[5]中非常重要的一种，它是指将特定形态如粉末态、纤维态或颗粒态的原料铺放于预热好的模具中，使其在一定温度和压力下固化成型的一种成型工艺，其多用于含热固性塑料材料的成型，与其它成型方法相比，它具有材料利用率高、制件性能好、尺寸精度高、模具损耗小等一系列优点。

片状模塑料(SMC)是短切纤维与树脂混合获得的片状模塑料，SMC 模压是根据所需成型的模压制件，裁剪出相应质量和形状的SMC 片材；在模具预热完成后，将片材铺覆于模具下模表面，进行合模加压，使SMC 片材熔融流动，充满型腔，经过一定时间的保压，开模取出制件。

预压料模压法(PCM)是采用编织的连续玻璃纤维布，在纤维布上均匀喷涂树脂基体，使两者充分浸润并在一定温度下获取预制件，再将预制件置入预热后的模具进行合模加压获得制件。PCM 工艺适合用于复杂结构制件的成型，且具有生产效率高、制品尺寸误差小等特点。

随着复合材料的应用不断扩展，受复合材料本身具有的可设计性和成型工艺的影响，从复合材料本身和成型制品试样两个角度展开制品的力学性能研究成为研究的热点。王启强等[6–7]对配置的复合材料进行压制，分析了其力学性能，张志坚等[8]研究了SMC 用高力学性能的玻璃纤维。马伟强等[9]通过冷压烧结成型工艺制备了玻璃纤维(GF)填充改性PTFE 复合材料，以提高摩擦磨损性能。卢军凯等[10–11]研究了连续纤维增强的复合材料的力学性能。陈海霞等[12–14]分析了玻璃纤维增强材料的拉–拉疲劳性能、失效和纤维分布对疲劳性能的影响，曾帅等[15]对碳纤维–玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能进行了研究。笔者研究了SMC 和PCM 模压制件的拉伸与弯曲力学性能。

1 实验部分

1.1 主要原材料

SMC 料：0400 H–14 NAT 01150，律通复合材料(上海)有限公司；

PCM 复 合 材 料：EV101–UL–40%–EWR400–400 gsm，江苏恒神股份有限公司。

1.2 仪器

万能试验机：SANS CMT4204 型，最大力20 kN，深圳新三思试验设备有限公司；

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

1.3 试样制备

分别采用玻璃纤维增强的环氧树脂基SMC和PCM 复材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°，壁厚为1.5 mm，如图1 所示。

图1 模压制件外形图

针对制备的SMC 和PCM 两个盒型件，通过数控铣床加工出测试试样。分别按照GB／T 1447–2005，GB／T 1449–2005 进行试样的切割，切割方案如图2 所示。

拉伸试样8 个，5 个试样取自盒子顶部X 方向、1 个试样盒子顶部Y 向和2 个试样在盒子边缘沿X向取向，在测试结果中分别以SMC–1，...，SMC–8，PCM–1，...，PCM–8 表示，如图2a 所示。

弯曲试样共3 组，2 组试样位于盒子顶部，1 组试样位于盒子边缘。在测试结果中以SMC–A1、SMC–A2、SMC–B1、SMC–B2、SMC–C1、SMC–C2和PCM–A1，...，PCM–C2 表示(编号SMC–A 则代表取SMC–A1 与SMC–A2 中间段作为实验材料，以此类推)。

图2 试样切割

1.4 测试方法

拉伸强度按照GB／T 1447–2005 测试。对试样以2 mm／min 的速度进行匀速加载，当试样发生破坏后，压力机自动停止加载，通过自动记录装置记录下加载过程中的最大负载。

弯曲强度按照GB／T 1449–2005 测试，跨距采用20 倍的壁厚，对试样以2 mm／min 的速度进行连续加载。

对拉伸和弯曲断裂试样表面做喷金处理后，采用SEM 进行断面形貌表征。

2 结果与讨论

2.1 复合材料拉伸性能测试结果及分析

(1)拉伸载荷–伸长量曲线。

由于所使用的万能试验机带有自动记录装置，故获得了材料的连续拉伸载荷–伸长量曲线，如图3 所示。

由图3 可知，两种材料均没有明显的线弹性变形阶段，故该种材料的尺寸稳定性较差[12]，一旦受到一定的外力就会发生不可逆的塑性变形，使制件尺寸发生变化，且变形量越大越难发生变形。对比两类材料可知PCM 制件的拉伸力学性能显著优于SMC。

图3 试样拉伸载荷–变形量曲线图

(2)拉伸性能测试结果。

SMC 制件的拉伸性能测试结果见表1。根据实验数据可以看出，SMC 制件在不同方向上的力学性能有较大差异，表现出明显的各向异性。由SMC1～SMC5，SMC7～SMC8 号制件可以看出，制件在X 向上的拉伸强度基本在50～80 MPa，而取向为Y 向的6 号制件的拉伸强度达到了125.3 MPa。同时可以看到位于制件边缘的试样其力学性能略低于位于制件顶部的试样。

PCM 拉伸性能测试结果见表2。

表1 SMC 制件拉伸性能测试结果

表2 PCM 拉伸性能测试结果

同样根据实验数据可以看出，PCM 制件在不同方向上的力学性能存在差异，表现出一定的各向异性。制件在X 向上的拉伸强度基本为430～480 MPa，而Y 向取向试样的拉伸强度则为348.45 MPa。同时也可以看到，制件边缘的试样力学性能略低于制件顶部的试样。

对比两类制件可以看出，不同取向的试样的拉伸强度有变化，均表现出显著的各向异性。SMC基 本 为50～120 MPa，PCM 拉 伸 强 度 为340～480 MPa，PCM 制件拉伸强度是SMC 制件的4～7倍。

2.2 复合材料弯曲性能测试结果及分析

(1)弯曲载荷–变形量曲线。

由于所使用的万能试验机带有自动记录装置，故获得了材料的连续弯曲载荷–变形量曲线，如图4 所示。

图4 试样弯曲载荷–变形量曲线图

由图4 可知，两类材料的弯曲变形曲线为明显的凸曲线，设曲线的函数表达式为f(x)，则f(x)的导数[f′(x)]随着横坐标的增大而减小，因材料的弯曲弹性模量与曲线的导数即f′(x)正相关，可知材料的弯曲弹性模量随着变形量的增大而减小，但由图4 可知，减小的幅度不明显。对比两类材料可知，PCM 制件的弯曲力学性能显著优于SMC。

(2)弯曲性能测试结果。

SMC 制件与PCM 制件的弯曲性能测试结果见表3、表4。

表3 SMC 制件弯曲性能测试结果

由表3 可知，SMC 制件顶部的弯曲弹性模量大于制件边缘处，弯曲强度基本一致；PCM 制件弯曲强度和弯曲弹性模量各处都基本一致。对比两类不同材料可知，SMC 制件的弯曲强度为150～190 MPa，PCM 制件的弯曲强度为400～450 MPa，PCM 制件弯曲强度是SMC 制件的2～3 倍；SMC制件的弯曲弹性模量为9～13 GPa，PCM 制件的弯曲弹性模量为19～24 GPa，PCM 制件弯曲弹性模量是SMC 制件的2 倍左右。

表4 PCM 制件弯曲性能测试结果

2.3 断面形貌表征

图5 为SMC 试样断面的SEM 照片。由图5可知，对于SMC 制件，成型时的材料流动使得玻璃纤维局部呈现规则分布，具有一定的取向一致性，但整体呈无规则杂乱分布。图6 为PCM 试样的断面SEM 照片。由图6 可知，对于PCM 制件，由于使用规则结构的连续纤维预制件成型，纤维总体呈正交规则排布，且材料断面处呈现出明显的分层现象，由此可以解释两者呈现出力学性能的各向异性。由断面形貌可知，两类材料的玻璃纤维与树脂基体均为脆性断裂，断面处玻纤粘连少量树脂，表明玻璃纤维与树脂基体的界面结合强度不高，尤其对于PCM制件可以观察到两者的分离界面光滑。

图5 SMC 试样断面SEM 照片

图6 PCM 试样断面SEM 照片

3 结论

(1)取自制品不同位置的试样，两种材料的拉伸强度有显著变化。SMC 制件的拉伸强度基本为50～120 MPa，PCM 制件的拉伸强度在340～480 MPa，PCM 制件拉伸强度是SMC 制件的4～7倍。

(2)取自制品不同位置的试样，两种制件材料的弯曲强度有变化。SMC 制件的弯曲强度为150～190 MPa，PCM 制件的弯曲强度为400～450 MPa，PCM 制 件 的 弯 曲 强 度 是SMC 制 件 的2～3 倍。SMC 制件的弯曲弹性模量为9～13 GPa，PCM 制件的弯曲弹性模量为19～24 GPa，PCM 制件的弯曲弹性模量是SMC 的2 倍左右。

(3)对于SMC 制件和PCM 制件，试样截取的方向和位置对拉伸强度、弯曲强度均有较大影响。

(4)由SMC 制件的拉伸、弯曲断面SEM 看出，玻璃纤维总体呈现杂乱分布状态，小局部由于成型过程的纤维呈现一定的取向一致性，SMC 试样力学性能为各向异性。

(5)由PCM 制件的拉伸试样断面SEM 看出，连续玻璃纤维总体呈现正交规则分布状态，PCM 试样力学性能呈现出明显的各向异性。