許 猛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

聚碳酸酯拉伸破壞性能的研究

許 猛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章進行了成型工藝條件和實驗條件對聚碳酸酯拉伸破壞性能影響的研究。結(jié)果表明，降低模具溫度和退火處理有助于提高屈服應(yīng)力；退火和未退火試樣在將要斷裂時均出現(xiàn)應(yīng)力突然增大的現(xiàn)象。通過觀察試樣變形區(qū)和斷面附近的表面微裂紋，可以判斷裂紋的擴展是通過裂尖銀紋區(qū)內(nèi)銀紋微纖的相繼斷裂來完成的，拉伸斷裂主要是由銀紋斷裂引起的。

聚碳酸酯；屈服應(yīng)力；模具溫度；應(yīng)變速率

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-66-04

前言

作為通用工程塑料，聚碳酸酯由于其良好的韌性和較高的強度，被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)領(lǐng)域；特別是其良好的透光性和抗沖擊性能，聚碳酸酯已被廣泛應(yīng)用于汽車燈具和汽車外飾件上。但是由于純料PC的強度相對于ABS等工程塑料仍然較低、添加增強劑后其透明性又受到影響的原因，使用PC完全代替玻璃仍然只是存在理論階段。這篇文章主要描述在注塑成型制品過程中不同模具溫度以及后處理等條件下，拉伸破壞（屈服和斷裂）性能的變化，用以獲得較好的成型工藝和后處理條件。

聚合物拉伸實驗是研究聚合物性能最常用的試驗方法，通過它能獲得材料的屈服強度、斷裂強度以及斷裂延伸率等破壞性能。就目前的狀況來看，通過改變實驗條件來獲得不同的拉伸性能的微觀機理的研究已經(jīng)比較透徹，但通過改變成型過程的工藝條件來獲得良好的力學(xué)性能很少被研究；而且工藝條件改變性能機理的研究能更好的指導(dǎo)生產(chǎn)，更快地實現(xiàn)科學(xué)工業(yè)化。因此，我們主要對模具溫度影響聚碳酸酯的破壞性能的機理進行了研究，同時對后處理條件的影響也進行了驗證性研究。

1、實驗部分

1.1 樣品材料

在該實驗中，我們使用由SABIC公司提供的型號為LEXAN OQ2720的光學(xué)級聚碳酸酯。以下是它的部分性能：密度是1.20g/cm3；熔體流動指數(shù)（300℃/1.2kg）是7.5g/10min；懸臂梁缺口沖擊強度是908J/m；在1.8MPa（樣品厚度6.40mm）下的熱變形溫度是132℃。PC OQ2720的產(chǎn)品特性：注塑成型。

1.2 試樣制備

首先，將制備樣品的聚碳酸酯顆粒在110℃的溫度下干燥5個小時。然后進行注塑成型，注射機各段溫度分別是：一段295℃、二段300℃、三段275℃、四段250℃。成型過程的工藝參數(shù)如下表：

表1 注塑成型工藝條件

試樣形狀和尺寸按ISO 3167：2002規(guī)定的A型啞鈴狀試樣。主要尺寸有，試樣總長度：170mm，標距：50mm，標距內(nèi)試樣寬度：10mm，厚度：4mm。

1.3 退火過程

在每組試樣中隨機挑取一半試樣進行退火處理，用以進行對比試驗。退火過程如下：將挑選好的試樣加熱到120℃，并保持兩個小時，然后以0.5℃/min的速度在加熱爐內(nèi)緩慢冷卻至室溫。我們將經(jīng)過上述處理的試樣叫做退火試樣。

1.4 拉伸試驗

拉伸試驗依照的標準時ASTM D 638-72，我們使用實驗室的萬能試驗機每組試樣（包括退火試樣和未退火試樣）進行了拉伸速度為50mm/min的拉伸試驗。所有的實驗都是在室溫下進行的，并且每組試樣都至少進行三次試驗并對所得到的數(shù)據(jù)進行平均值計算。通過拉伸試驗可以得到拉伸（真）應(yīng)力應(yīng)變曲線、拉伸屈服應(yīng)力、拉伸斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率等拉伸性能。

2、結(jié)果及分析

2.1 模具溫度對拉伸屈服應(yīng)力的影響

圖1（a）和（b）分別顯示了拉伸屈服應(yīng)力隨模具溫度的變化趨勢。如圖所示，從總體上看，所有的退火試樣的拉伸屈服應(yīng)力隨著模具溫度的升高而減小，但在90℃的模具溫度附近都出現(xiàn)了一個折點，即在此模溫附近處的變化規(guī)律與總體趨勢不一致；對于所有的未退火試樣，屈服應(yīng)力變化的總體趨勢是增大的，但在模溫90℃處也出現(xiàn)了不同的變化，即在此處的增大幅度較小。從模具溫度對屈服應(yīng)力的影響程度上來看，退火試樣的變化幅度較未退火試樣要大一些。

圖1 退火試樣（a）和未退火試樣（b）的拉伸屈服應(yīng)力與模具溫度的關(guān)系曲線圖

自由體積理論認為外力的作用導(dǎo)致自由體積的增加，鏈段的活動性進而增加，從而導(dǎo)致屈服。F.Rouabah等人進行了大量的淬火對聚碳酸酯力學(xué)性能的研究，他們認為淬火過程中較快的冷卻速度引起較大的殘余應(yīng)力和較高的自由體積，進而影響PC的力學(xué)性能（包括沖擊強度、斷裂伸長率、屈服應(yīng)力和彈性模量等）。

在成型制品過程中，模具溫度的影響是兩方面的。首先，在聚碳酸酯熔體充滿模腔后的保壓固化階段，試樣從熔體溫度295℃降至模具溫度（80℃、90℃、100℃、110℃和120℃）。

此過程的冷卻速度較快，高聚物分子鏈來不及重排，以至于形成較大的殘余應(yīng)力和自由體積。同時，有與聚合物熔體流動引起的取向也被凍結(jié)在材料內(nèi)部。其次是制品在模具內(nèi)部的冷卻過程。此過程的冷卻速度緩慢，聚合物分子鏈還可以進一步松弛，有減小保壓階段形成的殘余應(yīng)力、取向和自由體積的作用，我們稱此過程為“自退火”。但是“自退火”作用微小，可以忽略。

很明顯，冷卻速度較快（模溫80℃的冷卻速度最快），所形成的殘余應(yīng)力、自由體積和取向也就較大。退火試樣由于消除了內(nèi)部殘余應(yīng)力和取向的影響，因此屈服應(yīng)力隨模具溫度變化的總體趨勢是減小的。對于未退火試樣，由于殘余應(yīng)力（可以認為是制品內(nèi)部的取向分子鏈的收縮力）和流動方向（與拉伸方向一致）能夠提高拉伸屈服應(yīng)力，且它們的影響超過了自由體積的影響，所以退火試樣的拉伸屈服應(yīng)力變化趨勢是升高的。

對于所有試樣，特別是退火試樣，曲線在90℃的模溫附近都有一個明顯的下降。這可能與在90℃附近PC試樣存在某種松弛，導(dǎo)致其自由體積的增加有關(guān)。盧子興、張慧的研究也表明聚碳酸酯在70--100℃之間存在一個次級松弛。本實驗中由于使用油路冷卻，模具內(nèi)部實際溫度達不到測量的油路溫度，因此模具內(nèi)部實際溫度均低于測量溫度，但溫度梯度不變，上述說明我們的90℃（實際小于90℃）模溫非常適合70--100℃溫度區(qū)間。

2.2 模具溫度對拉伸強度的影響

圖2顯示了退火試樣和未退火試樣的拉伸強度隨模具溫度的變化情況。圖中各個拉伸速度下的拉伸強度沒有一個一致的變化趨勢，并且拉伸強度在各個模溫處的值浮動較小，可以認為在正常實驗誤差范圍內(nèi)。

圖2 退火試樣（a）和未退火試樣（b）的拉伸強度與模具溫度的關(guān)系曲線圖

在我們的結(jié)果中模具溫度的變化對拉伸強度的影響非常微弱，甚至可以忽略。主要是因為模具溫度的變化對制品的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響（詳細見“模具溫度對拉伸屈服應(yīng)力的影響”部分）。拉伸產(chǎn)生大變形（應(yīng)變軟化、細頸、應(yīng)變硬化等）的過程中試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生相當大的變化，如分子鏈解纏、取向等變化。由于拉伸產(chǎn)生大變形引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化遠遠超過了模溫引起的結(jié)構(gòu)變化，所以在相同的拉伸條件下不同模具溫度的試樣的拉伸強度幾乎相同。

2.3 模具溫度對斷裂伸長率的影響

圖3中的數(shù)據(jù)點以及曲線分別表示了退火試樣和未退火試樣的斷裂延伸率隨模具溫度升高的變化趨勢。從圖中，無論是退火試樣還是未退火試樣，我們都可以清晰地看到斷裂延伸率隨著模溫的升高大致呈升高趨勢，但是都在模溫90℃附近出現(xiàn)一個不同，即90℃模溫附近的斷裂延伸率均高于相鄰模溫處的斷裂延伸率。這個現(xiàn)象與退火試樣的屈服強度隨模具溫度的變化規(guī)律相反。與此同時，我們還觀測到退火試樣的斷裂伸長率均比未退火試樣要高。

圖3 退火試樣和未退火試樣的斷裂伸長率與模具溫度關(guān)系曲線圖

F.Rouabah等人認為斷裂伸長率與自由體積相關(guān)：自由體積越大，斷裂伸長率越小。的確，自由體積的增加有助于提高分子鏈（段）的活動性，增加聚合物材料的韌性。模具溫度的不同意味著溫度梯度的不同，通過不同的冷卻速率獲得不同的自由體積（詳解見“模具溫度對拉伸屈服應(yīng)力的影響”部分）。隨著模具溫度的提高，溫度梯度逐漸減小，聚合物內(nèi)部的自由體積就越小，斷裂伸長率就越大。因此就很容易明白圖7中曲線的大體走勢。圖示模溫90℃的不同也與在此附近存在一個次級轉(zhuǎn)變有關(guān)。

圖4 退火試樣斷裂后的試樣表面

與此同時，我們也觀察到在細頸穩(wěn)定擴展過程中所有試樣表面都會出現(xiàn)大量銀紋，如圖4所示。另外圖6中斷面SEM也顯示，無論是退火試樣還是未退火試樣，材料發(fā)生斷裂的裂紋源都是在試樣表面的銀紋處。因此可以認為試樣拉伸斷裂均是由銀紋斷裂引起的。

圖5 拉斷試樣變形區(qū)域表面的銀紋

仔細觀察拉斷后的試樣會發(fā)現(xiàn)在試樣的一個表面有很多銀紋，如圖4所示。圖示所有區(qū)域的銀紋方向均與拉伸方向相垂直。且只在一側(cè)觀察到銀紋，分布集中在變形部分寬度方向上的中間區(qū)域。圖5是這些銀紋在不同區(qū)域的放大情況。

圖6 退火試樣和未退火試樣在不同拉伸速度下的斷面的掃描電鏡圖（SEM）

如a、d所示，表面銀紋主要集中在中間區(qū)域，這主要是因為注塑成型由于聚合物收縮的原因造成的表面凹陷，從而使中間截面較小，中間部分所受應(yīng)力比兩邊稍大，所以銀紋首先并主要在中間區(qū)域產(chǎn)生。b圖顯示了試樣斷口處的銀紋分布，圖中顯示斷口裂紋是由擴展的銀紋相互交聯(lián)而成，因此可以推斷斷裂的裂紋源是由引文擴展形成的。

3、結(jié)論

通過改變成型工藝條件和后處理，對聚碳酸酯的拉伸性能進行了詳細的研究。得到以下結(jié)論：

（1）退火處理除了能夠明顯地增大屈服應(yīng)力外，還能夠使屈服對應(yīng)變速率的敏感性降低；

（2）在80～120℃模具溫度范圍內(nèi)，模具溫度對退火和未退火試樣的屈服應(yīng)力和拉伸強度影響較??；

（3）通過觀察試樣變形區(qū)和斷面附近的表面微裂紋，可以判斷裂紋的擴展是通過裂尖銀紋區(qū)內(nèi)銀紋微纖的相繼斷裂來完成的，拉伸斷裂主要是由銀紋斷裂引起的。

[1] 任偉新.聚碳酸酯的拉伸力學(xué)行為[J].工程塑料應(yīng)用,1992,(1)：39～41.

[2] 付順強,汪洋,王宇.聚碳酸酯的高應(yīng)變率拉伸實驗[J].實驗力學(xué),2009,24(3)：202～205.

[3] 馬新忠,汪洋,王宇.聚碳酸酯拉伸力學(xué)性能的應(yīng)變率相關(guān)性實驗[J].高分子材料科學(xué)與工程,2009,25(9)：131～133.

[4] 胡文軍,張方舉,田常津等．聚碳酸醋的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)和屈服行為[J]．材料研究學(xué)報,2007,21(4)：439～443.

[5] 王鐵軍,尹征南,王建國.玻璃態(tài)高分子材料銀紋力學(xué)研究進展[J].力學(xué)進展,2007,37(1)：48～61.

[6] 張桂甲,黨廣悅,胡平等.聚碳酸酯拉伸斷面觀察[J].電子顯微學(xué)報,1984：118.

Study on the Tensile Mechanical Property of PC

Xu Meng
( AnHui Jianghuai Automobile Group CORP.LTD. AnHui Hefei 230601 )

The article is studied on the influence of molding process and test conditions to tensile failure. Experimental results show that lower mold temperature and annealing treatment helped to improve the yield stress. When the annealing samples and the not annealing samples would rupture in the last, they appeared suddenly to become more stress the phenomenon. By observing surface microcracks in the specimen deformation zone and near the section, it could determine that the crack propagation was done by successive fracture of crazing microfibrils in the crack tip crazing district, and that tensile fracture was mainly caused by the fracture of the crazing.

Polycarbonate; Yield stress; Mold temperatur; Strain rate

U465.6

：A

：：1671-7988 (2017)07-66-04

許猛，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.028