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第39卷第12期

高分子材料科学与工程

Vol.39,No.12

2023年12月

POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING

Dec.2023

超声振动对不同含量碳纤维增强聚丙烯制件性能的影响

刘莹，杨勇，于同敏，赵雪利，马赛，祝铁丽（大连理工大学机械工程学院高性能精密制造全国重点实验室，辽宁大连116024）

摘要：利用超声辅助振动注塑模具，针对3种不同质量分数（10%，15%和20%）的碳纤维增强聚丙烯（CFPP）复合材料，进行了底部带有标准拉伸试样的壳体制件的成型实验。借助X射线衍射、扫描电镜等观测分析及拉伸性能测试，研究了超声振动外场作用下，不同碳纤维含量的制件内部结晶度及凝聚态结构中碳纤维的空间形态，以及碳纤维与基体接触界面的结合强度对制件力学性能的影响。结果表明，在CFPP制件注塑成型的填充流动阶段施加600W功率的超声振动，上述不同碳纤维含量的制件结晶度分别提高了4.4%，7.4%和9.8%，纤维取向程度分别提高了5.2%，9.7%和3.5%，纤维与基体的结合强度分别提高了32.5%，12.7%和12.6%，最终使得制件的拉伸强度相比于未施加超声振动时分别提高了6.9%，6.2%和10.4%；但超声功率高达到900W时，结晶度和纤维与基体的结合强度有所下降，导致制件拉伸强度有所降低。

关键词：超声振动；碳纤维增强聚丙烯；凝聚态结构；拉伸强度

中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1000-7555（2023）12-0080-08

纤维增强聚合物复合材料（FRPC）制件因具有高比强度、高比模量、高尺寸稳定性及耐腐蚀性强等优点，在航空航天、能源、汽车等工业领域得到了广泛应用[1~3]。但FRPC制件的力学性能，主要取决于制件成型加工时其内部分子所凝聚堆砌的凝聚态结构及添加纤维的形态，因此获得具有高强度性能凝聚态结构和添加纤维充分取向的制件，成为纤维增强聚合物复合材料制件成型技术研究的重要内容，对此国内外学者进行了大量的研究。Aparna等研究了纤维含量对碳纤维增强聚酰胺6制件性能的影响，结果表明，制件的拉伸强度和模量均随碳纤维含量的增加而升高，而断裂伸长率随纤维含量的增加而急剧下降[4]。Junaedi等进行了短纤维增强复合材料制件拉伸强度试验，研究结果表明，随着纤维含量的增加，制件拉伸强度呈非线性增长，拉伸强度显著依赖于纤维和聚合物基体的界面结合力以及纤维在拉伸方向上的取向程度[5]。Tiemann等对纤维增强复合材料的力学性能进行了研究[6]。

结果发现，熔体流动方向的准静态性能随制件厚度的增加逐渐下降，制件力学性能高度依赖于纤维在基体中的取向程度，纤维沿熔体流动方向的取向程度越高，制件的力学性能越高。由上述研究结果可知，纤维含量对FRPC制件的力学性能影响较大，同时纤维在制件中的取向程度及其与聚合物基体的界面结合状态都直接影响制件的最终性能。

但近年研究发现，在注塑成型过程中施加超声振动外场，借助超声能量能够有效改变制件内部的结晶度和纤维取向形态，进而影响制件的力学性能。于同敏等将超声振动变幅杆与模具型腔镶块相连，通过镶块将超声能量传递给型腔内的聚丙烯熔体，研究发现，超声外场能有效促进聚合物分子形成结晶结构，进而提高制件的结晶度；但过高的超声功率会使制件的结晶度下降[7]。Zou以等规聚丙烯材料为对象，研究了超声振动对制件内部微观结构的影响[8]。结果显示，随着超声功率的增大，制件芯层厚度逐渐增大，过渡层中的晶粒尺寸先减小

doi:10.16865/ki.1000-7555.2023.0241

收稿日期：2023-01-06

基金项目：国家重点研发计划项目(2022YFB3806203)、国家自然科学基金资助项目51575080)

通讯联系人：祝铁丽，主要从事聚合物成型加工及模具设计制造技术研究，E-mail:zhutieli@

第12期刘莹等：超声振动对不同含量碳纤维增强聚丙烯制件性能的影响81

后增大，制件整体结晶度提高。殷伊凡等将超声振子端面作为模具型腔的一部分，在注塑成型玻纤增强PBT薄壁制件时，发现超声振动可以升高熔体温度，提高流动性，从而使制件顺利成型，并且有利于制件中的玻纤沿熔体流动方向取向[9]。