短纤维增强尼龙6复合材料注塑成型过程中纤维取向的影响因素

短纤维增强尼龙6复合材料注塑成型过程中纤维取向的影响因素

纤维增强材料以其轻重低量、高强度、加工和制造方便等特点而闻名于建筑、汽车等行业。其制造方法主要包括雕塑、压缩和挤出。由于成型过程中熔体流动、纤维间相互作用和模具结构等引起纤维取向,从而导致最终制品力学性能呈现较强的各向异性。因此,对短纤维复合材料的纤维取向研究一直是加工领域的研究热点。Vincent等以矩形制品为研究对象,通过实验和数值模拟,研究制品厚度、纤维含量以及浇口形状对最终制品纤维取向的影响;Kim等通过X光扫描图像光亮程度的对比来决定纤维的方向,并得出纤维含量低时,数值模拟和实验吻合较好,而纤维含量较高时,由于纤维间的相互作用使得数值模拟与实验结果偏差较大的结论;Pontes等研究了纤维间相互作用系数对圆盘形制品纤维取向的影响。以上研究主要集中在纤维取向的实验以及数值模拟,对在成型过程中由于纤维取向而产生不同程度残余应力的研究较少。Zheng等采用微观力学模型研究了纤维增强聚合物压力诱导应力引起的收缩变形和翘曲;国内的吴海宏等从纤维增强聚合物的细观结构出发,利用各向异性弹性力学导出计算所需的材料性能参数,采用粘弹性模型分析计算了纤维增强聚合物注塑残余应力;张红平等基于宏观流场、介观纤维取向和微观聚合物大分子链三尺度信息耦合的多尺度模型,研究了纤维增强聚合物熔体的纤维取向和流场应力分析。短纤维增强聚合物复合材料纤维取向不仅仅取决于作用在纤维上的流场和热场,纤维含量、纤维长径比、纤维相互作用系数以及模具结构也会影响纤维取向分布。本文以Fig.1制品为研究对象,研究由于纤维含量不同而引起的不同纤维相互作用系数以及模具外形发生变化时对纤维取向沿厚度分布的影响,并对比分析了制品最终的残余应力。1纤维取向张量及分布函数在纤维增强复合材料中纤维假设为不可弯曲的棒状体,单根纤维的取向可用如Fig.2所示的单位矢量描述:式中:p———纤维的方向;θ、φ———p与坐标轴的夹角。可以采用纤维取向张量描述纤维取向状态,定义单位矢量p的张量积在所有方向上的积分并点乘纤维分布函数Χ(p):式中:αijk...l———纤维的取向张量;pi、pj、pk和pl———第i、j、k和l根纤维的方向;分布函数Χ(p)———纤维出现在θ1与θ1+dθ,φ1与φ1+dφ之间的概率。本文采用二阶张量来描述纤维取向状态:二阶纤维取向张量的方程可写成:式中:α———常数,对于二维纤维取向,α=2,对于三维纤维取向α=3;vk———速度分量;ωij———涡旋张量;﹒γij———变形速率张量;λ———常数,取决于材料的几何形状,λ=(re2-1)/(re2+1);re———纤维的长径比;δij———克罗内克单位张量;Ci———纤维之间相互作用而产生的随机取向效应系数,与纤维种类、纤维长度和纤维浓度等有关。取向张量状态描述如Fig.3所示。Fig.3(a)代表平面单轴取向,即纤维沿单一方向排列;Fig.3(b)代表双轴取向,纤维平均分布在2个主轴方向,同时代表平面中的随机取向状态;Fig.3(c)表示在3个轴方向取向或是空间中的随机取向。2材料性能参数的计算对纤维增强聚合物复合材料力学性能的预测,可分为3步:(1)采用细观力学模型,假设纤维完全取向,计算材料的性能参数;(2)通过注塑成型过程中求得的纤维取向系数,采用平均取向方法,修正每一层材料的性能;(3)通过层合板理论,计算整个材料的性能。3材料选取及用量对阻燃pa6黏度的影响本文以带有半圆形缺口的矩形平板制品为研究对象,坐标系选取以及浇注系统设计如Fig.1所示,选取整个短边为进浇位置,使料流得以平稳展开,减小制件的翘曲变形。由于半圆形缺口的存在,附近熔体流动状态将会发生较大的变化,从而影响此处纤维的取向状态以及制品的应力分布。制品长150mm、宽45mm,2个半圆形缺口半径7.5mm,位于长度对称中心线上,研究点的位置如Fig.4所示,图中数值单位均为mm。制品充填选用材料为尼龙6(PA6),由BASF生产商提供,商品牌号分别为UltramidB3K,不含纤维,固体密度1.1305g/cm3,熔体密度0.96784g/cm3;UltramidB35EG3,纤维含量15%,固体密度1.1993g/cm3,熔体密度1.0482g/cm3;UltramidB3EG6,纤维含量30%,固体密度1.3848g/cm3,熔体密度1.1991g/cm3;UltramidB3ZG8,纤维含量40%,固体密度1.4475g/cm3,熔体密度1.2657g/cm3;UltramidB3WG10,纤维含量50%,固体密度1.5859g/cm3,熔体密度1.4096g/cm3。5种不同纤维含量材料参数如Tab.1所示,所含纤维的种类一样,长径比均25,纤维的弹性模量72000MPa,泊松比0.22。α1和α2分别为纵向和横向膨胀系数。Fig.5为5种不同纤维含量PA6在270℃黏度随剪切速率的变化。由图可以看出,相同温度和剪切速率下,40%质量分数的纤维增强聚合物的黏度最大,0%的黏度最小。选用的5种材料,由于纤维含量的不同,将会影响纤维之间的相互作用系数Ci的大小,从而影响纤维取向的分布。Tucker和Advani给出了如式(5)的经验公式,用以计算纤维之间的相互作用系数。根据公式(5)可分别计算4种含纤维材料的Ci,计算结果如Tab.2所示。3.1纤维含量随厚度分布的变化规律本文以二阶取向张量分量A22来描述纤维沿流动方向取向结果。注塑成型塑料制品时,纤维增强聚合物熔体以层流形式充填型腔,所以对于本文制品,纤维以平面取向为主,沿厚度方向取向张量分量非常小(A33=0.005),即A11≈1-A22。如Fig.6所示为P1点不同纤维含量取向张量分量A22沿厚度分布的变化情况。P1点位于半圆形缺口切线附件,流动状态受模具外形影响较为明显。纤维质量分数为15%、30%以及50%时,A22沿厚度变化介于0.34与0.46之间,3种纤维含量的A22沿厚度变化几乎一样;而纤维质量分数为40%时,A22沿厚度变化介于0.38与0.48之间,沿厚度取向程度小于其他3种纤维含量,这是由于其黏度较大,熔体流经此处改变方向时,纤维取向更加趋于紊乱。Fig.7、Fig.8、Fig.9和Fig.10分别为P2、P3、P4和P5点不同纤维含量取向张量分量A22沿厚度分布的变化情况。在4个位置,当纤维含量发生变化时,纤维取向随制品厚度变化的趋势大体一致。但在次表层和芯层取向分布曲线上存在区别。从4张图中可以看出:在制品表层,由于熔体快速冷凝,纤维未完全取向就被冻结在冷凝层中,且随着纤维含量的增加,取向程度减小;在Z/h=0.938处,出现A22明显减小,并非由于数值计算的不稳定性造成,而是由于熔体前沿喷泉流所引起;在次表层向芯层的过度区域,可以看出随着纤维含量的增加,A22增大,这是由于Ci的减小所致,所以随着纤维间相互作用系数Ci的减小,纤维沿流动方向取向程度有增大的趋势;在制品的芯层,P2点和P4点流动状态受到模具外形变化的影响,使得纤维沿流动方向取向,P2点和P4点纤维含量不同时,P2点A22趋于0.65到0.75之间,P4点A22趋于0.75到0.85之间,P4点受到模具外形的影响较P2点明显,而P3点和P5点位于制品中部的对称中心线附近,剪切作用较小,流动状态为分散流动形式,纤维沿着垂直于流动方向取向,所以2个位置芯部的A22明显小于P2点和P4点的取值,纤维含量不同时,P3点A22趋于0.4附近,P5点A22趋于0.4到0.5之间。随着纤维含量的增加,以及Ci数值的减小,在芯部附近沿垂直于流动方向的取向程度增加,而Ci的改变同样影响着芯层厚度的变化,可以看出随着Ci的增加,芯层的厚度减小。3.2纤维含量对应力张量的影响求出实际流场中纤维取向的分布情况以后,即可采用各向异性线性黏弹性本构方程计算纤维增强聚合物注塑成型的残余应力。如Fig.11所示为P1点不同纤维含量应力张量分量σ22沿厚度分布的变化情况。由图可以看出,当充填材料含有纤维时,P1点沿厚度均表现出压缩应力状态,说明该点是在相对较高的压力作用下冷却;表层和芯层的压应力较小,说明该区域冷却时所受压力较小,而位于表层和芯层中间区域压缩应力较大,表明该区域是在较大的压力作用下冷却;随着纤维含量的增加,P1点σ22沿厚度分布的压缩应力有增大的趋势,但纤维质量分数为40%时的相应厚度位置应力大于纤维质量分数为50%的应力,这是由于含40%纤维的PA6黏度更大,该区域在冷却时是在更高的压力作用下所致。Fig.12、Fig.13、Fig.14和Fig.15分别为P2、P3、P4和P5点不同纤维含量应力张量分量σ22沿厚度分布的变化情况。从4张图中可以看出,随着纤维含量的增加,σ22沿厚度变化越剧烈,纤维质量分数为15%时,应力沿厚度变化较为平缓,而纤维质量分数增加为50%时,应力沿厚度变化的极值范围急剧增加,说明纤维含量增加时,不同研究位置冷却时沿厚度方向的压力变化幅值增大;P2和P4位置纤维含量变化时,σ22沿厚度分布的变化情况基本一致,而P3和P5的变化情况相似,说明这2组研究点是在相似的压力变化作用下冷却,P2点相对P3点在表层和芯层的拉应力较小,说明P2相应厚度冷却时所受的压力相对较小;而位于表层和芯层过渡区域的压缩应力较大,说明P2相应厚度冷却时所受的压力更大。4ci对纤维取向厚度和残余应力沿厚度分布的影响(1)纤维含量的不同,会影响纤维间的相互作用系数,从而影响制品最终的纤维取向分布。随着纤维含量的增加,Ci减小,纤维间的相互作用减小,取向程度升高。Ci的改变同样影响着芯层取