碳纤维SMC产品生产中常见问题及解决方案

1、什么是碳纤维SMC？

在碳纤维复合材料领域，碳纤维片状模塑料（Carbon Fiber Reinforced Sheet Molding Compound，简称CF-SMC），是由高强度碳纤维短切材料(12.5/25mm)浸渍各种树脂基体后所形成的高性能薄片状半成品。CF-SMC作为一种高性能的成型材料，正逐步在航空航天、汽车制造、风电叶片及体育器材等多个行业展现出其独特的优势。然而，尽管CF-SMC具有质量轻、强度高、耐腐蚀等诸多优点，其生产过程中仍会面临一系列常见问题。

基体树脂、增稠剂、固化剂等混合好并铺设到下方移动载体膜上→切割好的碳纤维碎片随机分布在带有树脂的载体上→将涂有树脂浆料的上表面载体膜以朝下的方式放置在短切碳纤维上→短切碳纤维呈上下树脂之间夹层状态，再将空气挤压出，树脂浸润到碳纤维中，形成CF-SMC。

 

2、碳纤维SMC的特性

材料融合了碳纤维的优异性能和SMC的成型工艺特性，是一种高性能、高效率模压成型材料。

与常规预浸料相比：SMC零件生产效率更高，制造成本更低；很容易加工制备肋骨和角撑板等结构；能够成型肋骨 、凸台、厚度变化；可以包覆金属件成型；可以制造具有混合结构（如连续+不连续纤维）；尺寸稳定性高制备成形状较为复杂 、有较高尺寸精度要求的碳纤维复合材料零部件。

与玻纤SMC相比：不仅纤维含量高，还具有低密度和理想的力学性能。

 

3、碳纤维SMC的应用领域

目前被用于大批量地制造交通运输、运动器材、医疗器械、电子设备、消费品市场、特殊装备等所需更高性能且轻质的复杂结构的复合材料部件，以及需要新花纹的装饰性部件。

 

4、一些常见问题及原因

产生原因：

1、材料 

• SMC树脂流动性差，材料内部空气无法逸出 

• 材料熟化不完全，含浸不佳，气体无法逸出

2、工艺 

• 压机无排气功能，产品内部气体无法逸出 

• 模具无排气槽，产品内部气体无法逸出 

• 模具温度不均，影响树脂流动，气体逸出不全 

• 合模速度过快，气体来不急逸出 

• 投料面积过大， 中间区域气体来不及逸出

产生原因：

1、材料 

• 树脂浸润性、流动性不佳 

• 树脂含量不均，局部树脂含量偏低
2、工艺 

• 压力较低，树脂未流动或流动不充分 

• 投料不足 

• 加压时间过早或过晚错过较佳的加压时间 

• 合模速度过快，部分残留气体悬浮在制品表面

产生原因： 

• 各个区域材料汇集，汇集处因树脂粘度不一致或粘度过 高产生熔接痕 

• 成型时流动过程中阻力不均纤维堆积产生熔接痕 

• 流动距离过长，树脂粘度增大产生熔接痕 

• 模温过高产生快速凝胶，而影响到材料较好地熔接

5、解决方案

原因分析：

碳纤维SMC制品的质量受原材料影响大，如树脂、纤维等材料质量不佳，会导致制品性能下降。
设计：模具及产品设计

产品及摸具设计不合理，增加产品缺陷率，影响产品质量。
工艺：生产工艺

生产工艺控制不严，如温度、压力、时间等因素控制不当，会影响制品的强度和耐久。

问题解决方案

材料,主要考虑以下3个方面： 

1.片材流动性

• 提高树脂与纤维复合后的流动性，成型过程带动纤维一起流动。流动性高的材料成型过程种更容易填充模腔、制品表面的纤维与树脂更均匀等

• 适当提高树脂粘度，成型过程中树脂带动纤维一起流动。

• 添加填料，增加片材成型过程的流动性。
2.树脂对纤维的浸润性

• 提高树脂对纤维的浸润性，保证制品质量（浸润性好的材料可以减少表面的气泡及分层情况）

• 提高树脂与纤维表面张力，减小树脂对纤维的浸润角。 

• 提高纤维表面处理效果，增加树脂与纤维的表面附着力。 

• 改进纤维上浆剂，提升树脂与纤维的接着力。
3.供应商产品质量稳定性（熟化度，面密度，树脂含量等)。

设计—产品结构

好的产品从起跑线（结构设计）开始，产品结构设计决定产品所能达到的高度，做CF-SMC产品满足产品功能是基础，工艺可行性是本源，满足产品功能的同时产品结构设计需要注意：

▶产品线条流畅，避免应力集中。 

▶产品结构避免＃型沟壑纵横，影响SMC材料的流动性。 

▶避免葫芦截面急缩颈口，影响SMC材料性能与排气效果。 

▶避免直角，尽可能圆角＋锥度引导过度。

除了通用模具设计要求外，还需注意：

1.闭料口

CF-SMC产品模具设计需设计闭料口，使材料只能在模腔内流动，保证产品的填充性。
2.排气口

模具设计需设计排气口，有利于CFSMC材料内部气体与挥发物排除，提高产品质量。
3.模具材质膨胀/收缩率

模具设计时需考虑模具材质膨胀/收缩率，保证产品尺寸。
4.抽真空

模具设计需设计抽真空功能，提高CF-SMC材料的流动性，减少气体与挥发物残留。
5.顶出机构

设计顶出机构，减少取模时间，提高生产效率。

设计-铺层

制作好的产品铺层设计先行，可根据产品的造型、厚度、结构等特点分析SMC材料在模腔内的流动状态/趋势，设计SMC材料成型时料片的投放位置、投放区域、投放量。

铺层设计需要注意：   

• 减小SMC材料在模具型腔内的流动时间，提高生产效率   

• 使模腔内压力分布均匀，减小产品内应力，减小产品变形量 

• 减少SMC材料汇集产生的熔接痕，提高产品品质

• 要生产出好的产品，成型工艺必不可少，需要成型温度、成型压力、加压时间通力配合协作，需要根据产品的造型、厚度、结构等特点制定专属的成型工艺

• 模压温度：温度是SMC材料软化与固化的必要条件，需要复合材料要求的模温，合适的温度可以：保证材料的软化程度，充分体现材料流动性与排气性；提高制品固化时温度均匀性，降低产品内应力，减小产品变形量；保证树脂固化度
• 成型压力：压力是SMC材料流动的动力，需要符合材料要求的压力，合适的压力可以：为材料流动提供有效动力，使熔体高效充满模腔；保证制品的密实度，减小产品因收缩引起的变形量；为排气创造条件，有效挤出材料与模腔内的挥发物与残余气体。
• 加压时间：是制品品质的护卫，合适的加压时机可：使材料流动性得到充分体现，过早或过晚加压均会影响材料的流动性；更有效的排出气体；使模具填充更充分，保证制品品质。
• 抽真空：是SMC工艺的灵魂。抽真空可提高SMC材料的流动性，填充更充分；减小制品内气泡与挥发物，提高制品品质。
• 排气：排气可有效挤出产品内部气体与挥发物；排气可提高SMC材料的交融性与交粘性；排气可降低制品熔接痕，提高产品质量。

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