环氧树脂碳纤维复合材料模压制品冲击强度影响因素分析

碳纤维增强的环氧树脂片状模塑料（EP/CF-SMC）是由树脂糊浸渍短切纤维

后，经模压工艺进行固化成型的复合材料。EP/CF-SMC比强度高、耐腐蚀、绝缘

强度好、表面光洁度高、外形尺寸稳定，且成型效率高、生产成本低，广泛应用

于汽车、电力、建筑、航空航天等领域。但其冲击强度差仍是难以忽略的缺点,

因此提高EP/CF-SMC的冲击强度已经成为进一步提高其使用效能的关键。

目前，已有不少学者针对复合材料模压成型工艺对制品力学性能的影响开展

了相关研究。张臣臣、汪兴等通过设计正交试验研究了模压成型关键参数对树脂

基复合材料力学性能的影响。胡章平等通过建立响应面模型分析了各个工艺参数

对制品力学性能的贡献率。杨志生、花蕾蕾等从制品生产角度研究了制品易产生

缺陷的工序以及相应的控制方法。林旭东、宋清华、张吉等通过建立数学物理模

型，对模压成型工艺制度进行了优化。Mayer.吴凤楠等通过对制品进行微观表

征，研究了不同生产工艺对最终模压制品的性能影响。

本文以EP/CFTMC模压成型制品的冲击性能为研究对象，设计正交试验研

究了模压温度、模压压力、保压时间、合模速度对模压制品冲击性能的影响。使

用极差法分析了4个因素对制品性能的影响程度大小；获得了最佳的工艺参数并

进行了验证实验；借助光学显微镜和场发射扫描电子显微镜（SEM）对典型冲击

断裂试样进行了微观形貌表征，并分析了各影响因素作用于制品模压成型过程中

的微观机制。（论文引用：赵川涛，贾志欣，刘立君，李继强，张臣臣，荣迪，高

利珍，王少峰.环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析［几中

国塑料,2024,38(2):26-32.)

实验部分(节选)

1、制样过程

模压温度、模压压力、保压时间、合模速度是影响EP/CFTMC材料模压制

品力学性能的4个主要因素。选择合适的因素水平设计得到正交试验L16(44),

其因素水平表如表1所示。将原料裁剪为160mmx320mm大小后，居中铺放在

预热好的定模上，设置模压参数，等待模压完成。每组正交试验生产一块制品,

共计制备16块平板制，‘牛。在平板制件上以如图3所示方式截取冲击试验试洋，

将与制品长边方向平行、垂直的试样分别记为X贰样和Y试样。

因春

水平

T/CP/kNt/sv/mm•s1

11304005401

21405006005

315060066010

416070072015

表1正交试验因素水平表

140

图3试样切割方案

2、性能测试与结构表征

冲击强度测试：采用摆锤式冲击试验机，最大势能为7.5J,测试标准为GB/T

1043.1-2008,测试环境温度为19℃,环境湿度为43%；

使用光学显微镜木湿磨、抛光后的试样横截面进行观察；

使用SEM对喷金处理后的试样冲击断裂截面进行观察,加速电压为5.00kVo

结果与讨论

1、复合材料冲击强度测试结果与分析

01

正交试验结果

表2为每组正交试验的参数，T、P、t、v分别代表模压温度、模压压力、保

压时间、合模速度。每块制品沿X、Y方向上4个试样所测得的冲击强度取平均

值，结果如表3所示，图片、OX、图片、。丫分别代表X方向试样冲击强度的平

均值、X方向试样冲击强度的标准差、Y方向试样冲击强度的平均值、Y方向试

样冲击强度的标准差。标准差可以反应该组冲击强度的离散情况：标准差越大，

表示该组冲击强度的离散度越大。

将同一组参数下X试样和Y试样的平均冲击强度进行比较，如图4所示。

£—

•

<

G

W

醺

布

*

试验编号

图4不同取样方向制品的冲击强度

对X、Y方向的2组冲击强度进行Mann-WhitneyU统计检验，并计算X试

样、Y试样冲击强度的平均值，结果如表4所示，渐进显著性（双尾）小于0.05,

表明2组数据存在显著性差异，且Y试样的冲击强度平均值高于X试样。综合以

上分析可以得出：EP/CF-SMC模压制品冲击强度表现为显著各向异性，Y试样的

冲击强度总体水平高于X试样。

渐选叁善性格0冬苦性X试件冲去用H为（H/送件冲击中H为（H

Mann-WhitneyUWilcoxonWZ

（双⑹[r]（16组全部近程）aarfMPa（16组全都试样）odJ/MPa

42000178000・32410001<005<000143795186

表4不同取样方向试样冲击强度的

Mann-WhitneyU检验

试验编号为12的X试样、Y试样冲击强度差达到最大值23.85MPa,使用光

学显微镜对该组进行观察，结果如图5所示，可以观察到X试样中碳纤维较少且

分布不均，存在大面积富脂区域，而Y试样碳纤维分布均匀，仅部分小区域存在

无纤维情况。

(a)X试样(b)y试样

图5相同参数组下不同取样方向试样的

金相显微镜照片

这是由于在模压过程中，环氧树脂带动碳纤维填充模腔时在宽度方向上首先

充满，后续长度方向继续填充的过程中，中心处仍有部分树脂带动纤维不断向宽

度方向挤压，导致纤维密度在宽度方向上更大，最终使得EP/CFTMC模压制品

表现出显著的各向异性，宽度方向上的试样冲击强度更优。

2、模压参数对制品冲击强度的影响

01

模压参数的影响大小及最佳参数组合

使用整体冲击强度较好的Y试样进行极差分析，结果如表5所示：kl、k2、

k3、k4分别代表各个影响因素的4个水平；R代表各个影响因素下的冲击强度极

差值，可以反映该因素作用于制品时引起的冲击强度变化范围。图6(a)为各个影

响因素的极差值，可以得出各因素对制品冲击强度影响的大小为：保压时间t＞

合模速度v＞模压温度T＞模压压力P。图6(b)为制品冲击强度在各个影响因素不同

水平下的均值变化情况，由图6(b)可知：制品冲击强度分别在(T)kl、(P)k2、

(t)kl、(v)kl时达到该影响因素下的最大值，并可得出最佳参数组合为：模

压温度为130℃、模压压力为500kN、保压时间为540s、合模速度为lmm/s。使

用该参数组进行模压验证试验，并按照图3所示的试样切割方案，切取新制品Y

方向试样以进行冲击强度测试，结果如表6所示，新制品冲击强度平均提高了

9.75%o

影蚂因素

告水平冲击强度均值-

TPtV

ki553952.4957.665941

*24771535054.714849

口538751.0344.3750.52

504650.4150.694900

R76830913.291092

表5冲击强度极差分析结果

影响因素

⑸各影响因素下冲击强度的极差值(b)各因索不同水平下冲击强度对比

图6模压参数对制品冲击强度影响的

极差分析统计图

正交fit将中冲击端优整数组制品Y方向讯:程冲击强度

强度最大值＜M〃MPa冲击强度平均值砧"MPa程高百分比/%

678074419.75

表6模压参数优化前后的试样冲击强度

02

模压温度对制品冲击强度的影响

由图7可知，制品冲击强度在模压温度为13。℃时达到了最大值，而后随着

模压温度的升高，冲击强度出现了先降低后升高再降低的波动现象。在模压温度

为1300c时，树脂固化速率适中，rr充足的时间浸润纤维以及填充纤维间的空隙;

树脂固化形成的交联结构均匀地分布于制品中，使得纤维-基体界面结合强度优

良，有利于冲击破坏能量传递和阻止裂纹扩展，使得材料具有较高的冲击强度。

当模压温度升高后，固化反应加快，树脂的流动性较差，不能够充分浸润纤维或

填充纤维空隙，易产生孔隙或富脂区域，导致制品的内部结构不够紧密；且过高

的模压温度会使得树脂发生局部过氧老化，导致冲击强度较低。随着模压温度继

续升高，虽然树脂仍因为过高的固化反应速率而无法充分浸润纤维或填充纤维空

隙，但此时也因固化反应速率的提高，形成了更多的交联结构，制品的内部结构

变得更加致密，这种致密的结构可以有效地传递和分散冲击载荷，从而使冲击强

度又有所回升。当模压温度继续升高时，固化反应速率变得非常高，树脂流动性

极差，制品内部形成的交联结构不能均匀分布，交联结构较少的部分较为脆弱,

受到冲击时，这些脆弱区域易于发生断裂，加之此时更为严重的热氧老化现象,

最终导致冲击强度再度下降。

441~~1----1------1----->-----1-----1-----1-----•

130135140145150155160165

模压温度〃电

图7模压温度与冲击强度的关系

由图7可知，模压制品的冲击强度平均值分别在模压温度为1300c和140℃

时达到了最大值和最小值,且由图6（b）可知:模压压力为400kN和500kN时、

合模速度为5mm/s和10mm/s时，制品的冲击强度相差较小，故在前述正交试

验中选取试验编号为2和5的两组作为相似对照组，分析模压温度对模压制品冲

击强度的影响。如图8所示为模压温度分别为133℃（2组）和140℃（5组）时

试样横截面的金相显微镜照片。模压温度130℃时制品纤维和树脂结合情况良好,

固化程度适中，纤维分布均匀，该制品的冲击强度良好；而1400c时树脂出现了

明显的热氧老化现象，以及较大范围的富脂区域，导致该制品的冲击强度较差。

(a)模压温度130t(b)模压温度140t

(试验编号2)(试验编号5)

图8不同模压温度下制品的金相显微镜照片

03

模压压力对制品冲击强度的影响

由图9可知，制品冲击强度随着模压压力的增大，先增大后减小。当压力较

低时，预浸料中的空气不能及时排出，滞留在制品内部形成气泡，导致制品中存

在孔洞、毛刺等缺陷，最终导致制品的冲击强度下降；而模压压力过大时，纤维

束内部富脂区域增加，同时碳纤维和环氧树脂结合界面的剪切应力会不断增加，

当剪切应力超过界面强度时，纤维和树脂之间的黏附力无法抵抗剪切力，会发生

界面分离和滑移，形成裂痕，受到冲击时能量的传递率下降，最终导致制品的冲

击强度变差。由图9可知，模压制品的冲击强度平均值分别在模压压力为500kN

和700kN时达到了最大值和最小值,且由图6(b)可知：保压时间为600s和720s

时、合模速度为5mm/s和15mm/s时，制品冲击强度相差较小，故在前述正交

试验中选取试验编号为2和4的两组作为相似对照组，分析模压压力对模压制品

冲击强度的影响。

58

56

m54

e52

褪50

醺

珀48

狂46

400500600700

模压压力P/kN

图9冲击强度与模压压力的关系

图10为模压压力分别为500kN（2组）和700kN（4组）时试样横截面的金

相显微镜照片。模压压力为500kN时纤维排布规则有序，无较明显缺陷，制品

冲击强度良好；模压压力为700kN时，纤维排布杂乱，且存在多处富脂区域，

严重影响制品的冲击强度。

（a）模压压力500kN（b）模压压力700kN

（试验编号2）（试验编号4）

图10不同模压压力下制品的金相显微镜照片

04

保压时间对制品冲击强度的影响

由图11可知，制品的冲击强度随着保压时间的延长，先急剧减小而后缓慢

增大。当保压时间为550s时，树脂固化程度适中，与纤维充分交联，纤维•树脂

界面结合能力强，受到冲击破坏时，界面能够有效地将能量传递给纤维束，从而

阻止裂纹的扩展，此时制品表现出良好的冲击性能；当保压时间过长时，环氧树

脂过度同化，纤维•树脂界面结合能力变差，制品内部应力增加，受到冲击破坏

时，纤维•基体界面迅速开裂，能量不能及时传递给纤维束，发生脆性断裂，最

终导致冲击强度降低。由图11可知，模压制品的冲击强度平均值分别在保压时

间为540s和660s时达到了最大值和最小值,且由图6(b)可知：模压压力为400kN

和600kN时、合模速度为5mm/s和15mm/s时，制品冲击强度相差较小,故在

前述正交试验中选取试验编号为9和11的两组作为相似对照组，分析保压时间

对模压制品冲击强度的影响。

60

58

56

54

52

50

48

46

550600650700750

保压时间以

图11冲击强度与保压时间的关系

图12为保压时间为540s(9组)和660s(11组)的典型冲击断裂试样断面

形貌，图12(a)和(b)中纤维断裂整齐，且纤维有较严重的变形，主要失效形式为

断纤失效,此时制品的冲击强度良好。图12(c)和(d)中，大束纤维抽出,且纤维

上只黏带少量树脂，受冲击破坏时，能量仅有少部分传递给纤维，主要失效形式

为纤维•基体界面失效，此时制品的冲击性能较差。

(a)保压时间为540s,xI(XX)佃)保JK时间为540m,x2000

(0)保压时间为540&x1000(d)保压时间为540B,x2000

图12不同保压时间下制品的SEM照片

05

合模速度对制品冲击强度的影响

由图13可知，制品的冲击强度随着合模速度的加快先急剧减小，之后出现

小范围波动。低合模速度会得到较高冲击强度的制品，因为此时树脂的流动也好,

更容易浸润纤维和充填模腔，有助于排出模腔内气体及挥发物，减少制品缺陷。

而当合模速度过快时，树脂过于流动，在充填过程中无法充分浸润纤维，易产生

孔隙；同时也会由于内部剪切应力的不均匀分布造成纤维-基体界面剥离，从而

产生裂纹缺陷；并且树脂在高速充填的过程中，易产生较多的富脂区域，削弱制

品受到冲击时的能量吸收，最终降低制品的冲击强度。由图13可知，模压制品

的冲击强度平均值分别在合模速度为lmm/s和5mm/s时达到了最大值和最小值,

且由图6（b）模压压力为400kN和500kN时、保压时间为540s和600s时，制品的

冲击强度相差较小，故在前述正交试验中选取试验编号为1和2的两组作为