SMC材料成型工艺及典型缺陷

SMC材料简介

片状模塑料（sheet molding compound，SMC）是一种由可增稠的树脂、短切（和/或连续的）玻璃纤维增强材料、填料、助剂等组成的，上下两面覆盖承载薄膜的片状复合物。常用的是以不饱和聚酯树脂为黏结剂制成的一种模塑料。在不饱和聚酯树脂中加入增稠剂、无机填料、引发剂、添加剂和颜料等组分配制成树脂混合物，浸渍短切纤维或毡片，上下两面覆盖PE薄膜，经增稠后制得薄片状模塑料。

SMC纤维和模塑料

SMC的特性

机械强度高、材料重量轻、耐腐蚀、使用寿命长，绝缘强度高、耐电弧、阻燃、密封性能好，且产品设计灵活，易规模化生产，并有安全美观的优点，具有全天候防护功能，能够满足室外工程项目中各种恶劣环境和场所的需要，克服了室外金属设备箱体的易锈蚀、寿命短和隔热保温性能差等缺陷。

未固化的预浸料为粘稠状，不具有性能，实际使用过程需要将其高温模压固化，得到高性能PCM制品。对于相同的部件，使用SMC复合材料制作，其质量较钢材轻20%～30%，能够很好地满足汽车轻量化的要求。

SMC预浸料能够增加大量的阻燃填料和其他添加剂，通过合理的配方设计能够赋予产品较高的拉伸强度、弯曲强度和冲击韧性。阻燃填料的添加能够赋予产品高阻燃性能。

另外，由于SMC独特的材料组成，赋予了SMC产品高绝缘、耐候性、耐腐蚀等性能。

SMC模压工艺成型周期短，适合大量生产；SMC模压制品尺寸精准、表面光洁、制品外观及尺寸重复性好；制品的大小及形状没有限制；成型时可预埋相关嵌件（如螺母、螺栓、钢板等）。使得SMC材料在汽车的应用逐渐广泛。

SMC具备以下特点，足以让汽车制造商有理由选用这种材料：

1、重量大大减轻；（大约比相同性能的钢材部件轻20%-35%）；

2、部件集成化，降低了制造过程的复杂性：金属件需要10-12付钢模（冲压及成型），SMC制件只需要2付模具；

3、投资成本低；（相同零部件通常比金属冲压工艺投资节省约40％）；

4、与铝或钢相比较，抗损坏性能提高，特别是外饰件；

5、卓越的耐腐蚀性能；

6、噪音、震动和粗糙度性能的改善；

7、设计自由度高：SMC具有A级表面质量，与钢铁制件一样，线性热膨胀系数与钢铁相似，SMC能与钢铁、铝材料复合使用。

8、适合各种涂装工艺：SMC材料耐热性能好，能达到200℃，且与电泳涂料兼容性好。

9、回收材料的应用：

  （1）粒径在直径小于300um：替代填料，用量在3-15%取决于制品表面效果和机械性能要求；

  （2）纤维和大颗粒：30%有机物焚烧（水泥制造过程能量回收），70%回收至无机物。

10、行人保护功能。

SMC在汽车上的典型应用

目前SMC材料既可以用在汽车的外饰件，如前围罩、前散热器罩等，也可以用在动力电池的托盘、密封盖等功能产品。随着材料的应用越来越成熟，以及工艺设备的革新，产能的提升，必然使得SMC材料在汽车的应用逐渐增加。对于汽车轻量化、现代化和标准化做出突出的贡献。

SMC模压成型工艺过程主要工序

SMC模压成型工艺过程，主要有以下几个工序 ：

⒈ 压制前准备

（1）SMC的质量检查   SMC片材的质量对成型工艺过程及制品质量有很大的影响。因此，压制前必须了解料的质量，如树脂糊配方、树脂糊的增稠曲线、玻纤含量、玻纤浸润剂类型、单重、薄膜剥离性，硬度及质量均匀性等。

（2）剪裁   按制品的结构形状，加料位置，流程决定片材剪裁的形状与尺寸，制作样板裁料。剪裁的形状多为方形或圆形，尺寸多按制品表面投影面积的40%-80%。为防止外界杂质的污染，上下薄膜在装料前才揭去。

（3）设备的准备   ①熟悉压机的各项操作参数，尤其要调整好工作压力和压机运行速度及台面平行度等。②模具安装一定要水平，并确保安装位置在压机台面的中心，压制前要先彻底清理模具，并涂脱模剂。加料前要用干净纱布将脱模剂擦均，以免影响制品外观质量。对于新模具，用前必须去油。

⒉ 加料

 ⑴加料量的确定   每个制品的加料量在首次压制时可按下式计算：加料量=制品体积×1.8

 ⑵加料面积的确定   加料面积的大小,直接影响到制品的密度程度料的流动距离和制品表面质量.它与SMC的流动与固化特性、制品性能要求、模具结构等有关。一般加料面积为40%-80%。过小会因流程过长而导致玻纤取向，降低强度，增加波纹度，甚至不能充满模腔；过大，不利于排气，易产生制品内裂纹。

 ⑶加料位置与方式   加料位置与方式直接影响到制品的外观，强度与方向性。通常情况下，料的加料位置应在模腔的中部。对于非对称复杂制品，加料位置必须确保成型时料流同时达到模具成型内腔各端部。

加料方式必须有利于排气。多层片材叠合时，最好将料块按上小下大呈宝塔形叠置。另外，料块尽量不要分开加，否则会产生空气裹集和熔接区，导致制品强度下降。

 ⑷其他   在加料前，为增加片材的流动性，可采用100℃或120℃下预热操作。这一点对成型深拉形制品尤其有利。

⒊ 成型

当料块进入模腔后，压机快速下行。当上、下模吻合时，缓慢施加所需成型压力，经过一定的固化制度后，制品成型结束。成型过程中，要合理地选定各种成型工艺参数及压机操作条件。

 ⑴成型温度   成型温度的高低，取决于树脂糊的固化体系，制品厚度，生产效率和制品结构的复杂程度。成型温度必须保证固化体系引发、交联反应的顺利进行，并实现完全的固化。

一般来说，厚度大的制品所选择的成型温度应比薄壁制品低，这样可防止过高温度在厚制品内部产生过度的热积聚。如制品厚度为25-32mm，其成型温度为135-145℃。而更薄制品可在171℃下成型。

成型温度的提高，可缩短相应的固化时间；反之，当成型温度降低时，则需延长相应的固化时间。成型温度应在最高固化速度和最佳成型条件之间权衡选定。一般认为，SMC成型温度在120-155℃之间。

 ⑵成型压力   SMC成型压力随制品结构、形状、尺寸及SMC增稠程度而异。形状简单的制品仅需25-30Mpa的成型压力；形状复杂的制品，成型压力可达140-210Mpa。SMC增稠程度越高，所需成型压力也越大。

成型压力的大小与模具结构也有关系。垂直分型结构模具所需的成型压力低于水平分型结构模具。配合间隙较小的模具比间隙较大的模具需较高压力。

外观性能和平滑度要求高的制品，在成型时需较高的成型压力。

总之，成型压力的确定应考虑多方面因素。一般来说，SMC成型压力在3-7Mpa之间。

 ⑶固化时间   SMC在成型温度下的固化时间（也叫保温时间）与它的性质及固化体系、成型温度、制品厚度和颜色等因素有关。

固化时间一般按40s/mm计算。对3mm以上厚制品，有人认为每增加4mm，固化时间增加1min。

⒋ 压机操作

由于SMC是一种快速固化系统，因此压机的快速闭合十分重要。如果加料后，压机闭合过缓，那么易在制品表面出现预固化补斑，或产生缺料、或尺寸过大。在实现快速闭合的同时，在压机行程终点应细心调节模具闭合速度，减缓闭合过程，利于排气。

某种SMC典型成型周期如下：

压机开启7s  制品取出10s  加料20s 模具闭合10s  固化周期 73s ，共计120s。

SMC典型缺陷分析

问题一：缺料

指SMC模压成型件没完全充满，其产生部位多集中在SMC制品的边缘，尤其是边角的根部和顶部。

产生机理及对策：

SMC材料受热塑化后，熔融粘度大，在交联固化反应完成前，没有足够的时间、压力、和体积使融体充满模腔。

原因如下：

   1.放料量少；

   2.SMC材料流动性差；

   3.设备压力不充足；

   4.固化太快。

对策：

1.SMC材料受热塑化后，熔融粘度大，在交联固化反应完成前，没有足够的时间、压力、和体积使融体充满模腔。

2.SMC模压料存放时间过长，苯乙烯挥发过多，造成SMC模压料的流动性能明显降低。

3.树脂糊未浸透纤维。成型时树脂糊不能带动纤维流动而造成缺料。由上述原因所引起的缺料，最直接的解决方法是切料时剔除这些模压料。

4.加料量不足引起缺料。解决方法是适当增大加料量。

5.模压料中裹有过多的空气及大量挥发物。解决方法有：适当增加排气次数；适当加大加料面积，隔一定时间清理模具；适当增大成型压力。

6.加压过迟，模压料在充满模腔前已完成交联固化。

7.模温过高，交联固化反应提前，应适当降温

问题二:针孔

产品表面上有规则或不规则的小孔，其产生部位多在产品顶端和中间薄壁处。

1.SMC模压料中裹有大量空气以及挥发物含量大，排气不畅；SMC料的增稠效果不佳，不能有效赶出气体。对于上述引起原因，可通过增加排气次数以及清理模具相结合的方法而得到有效的控制。

2.加料面积过大，适当减少加料面积可得到控制。在实际操作过程中，人为因素也有可能造成砂眼。比如加压过早，有可能使模压料裹有的气体不易排出，造成制品表面出现气孔的表面缺陷。

3.材料放置过久，流动性下降。

问题三：气泡

在已固化制品表面的半圆形鼓起。可能的原因：

    1.SMC材料中玻纤浸润不良；

    2.SMC原料被湿气、油脂、脱模剂等沾染；

    3.铺料方式不合理；

    4.合模速度过快；

    5.模具剪切边太小。

     改善对策：

    1.改善SMC配方或生产工艺；

    2.避免污染；

    3.减小放料面积及改变加料方式。

    4.优化压机速度

    5.优化模具

问题四、未固化

在模压时SMC材料未完全固化，通常表现为无光泽的表面，有苯乙烯气味，还有引发剂的气味，有气泡、爆裂、分层等缺陷伴随发生。

可能的原因及纠正的措施：

    1.温度不足或模具表面有冷区，会发生固化不完全。

    2.引发剂的添加量不足、树脂的活性不好或保压时间不足等均能引起聚合不充分。

    3.引发剂活性低或量少导致固化反应慢。

    4.太多的阻聚剂导致聚合反应慢。

    纠正的措施：

   1.升高温度或改善模具温度均匀性。

   2.优化SMC的配方或更换部分有问题的原材料。

问题五、熔接痕

 熔接痕又称熔接不良、熔合缝等，是指各SMC熔体前端相遇时在制品表面形成的一条线状痕迹，不仅有碍制品的美观，而且影响制品的力学性能。

    纠正的措施：

    1.过长的料流距离与分块的铺料方法将导致玻纤取向和熔接线，将料团直接加到易发生熔接痕的部位是有效的。

    2.快速的闭模速度易引起玻纤取向，过高的模温产生予凝胶，而影响到材料较好地熔接，降低合模速度，降低模温能使严重的熔接痕趋缓。

    3. 特定的模具设计，如：过长的料流距离、料团分流和型芯等形成孔的料流前沿而导致熔接痕，如果熔接线发生在零件的边缘，则在此设置溢流口是有效的。

    4. 在某种情况下，在易发生熔接痕的部位事先放置特定的玻纤网或编织纱是有利的。

问题六、烧焦

由于水份、空气、苯乙烯等低分子挥发物未能逸出，在此温度下被点燃，制品变色，当然这个部位也就填不满而缺肉。

    形成原因：

    料流末端的容易相分离並导致气体排不出而发生困气，在高压、高温下燃烧。

    纠正的措施：

    1.铺料的面积过大，往往造成空气或苯乙烯不能被赶出，故增加料流的距离，减缓料流的速度，让空气或苯乙烯沿模具的剪切边或顶出销排出。

    2.剪切边过小、过紧，不利于排气，调整到适当的间隙是有利的。

    3.发生在模具冷热交界处，材料之固化有强烈的差异，而且气体也不易排出。

    4.在这些部份设排气孔,利用顶出的间隙, 排出残留模腔內的气体，也可以减慢模压速度，使气体有足够排空時間。

 问题七、翘曲

制品由于过度收缩或存有过度的内应力导致的产品形变。

    可能的原因及措施：

    1.过分长的料流能引起玻纤取向，导致不一致的玻纤分布，也容易引起应力集中。

    2.处在边缘状态固化的制品由于机械强度低，尺寸易变化，要增加模温和保压时间。

    3.固化后的制品后收缩或膨胀过多造成翘曲。

    4.使用冷定型夹具能阻止翘曲变形。

    5.SMC材料收缩率不合理，或产品结构设计不合理。需要进行优化。

问题八、粘模

制品与模具表面发生物理粘结，导致脱模困难和裂纹。可能的原因及纠正的措施：

    1.模具污染能引起制品粘在模具上，喷洒外脱模剂有助于补充内脱模剂的不足。

    2.不完全的固化阻止料流完成，固化后收缩容易抱紧十分合身的模芯部份，故增加模温、延长保压时间却是有益的。

    3.模具的轻微的倒稍及表面过于粗糙，易发生零件粘模，需抛光或重镀表面。

    4.太多或太少的收缩，在某些模塑条件下也容易引起机械锁定，要调整低收缩添加剂的种类和数量。

问题九、预固化斑

制品表面不良之色斑，通常发暗、粗糙而且伴有针孔，这都是先于料流之前已经开始固化。

    可能的原因及措施：

    1.料团停留在模具表面的时间过长，引起过早固化即予凝胶。

    2.过慢的合模速度，提供了先于料流结束之前就予凝胶之机会，增加合模速度是有效的。

    3.过高的模温或活性过高的引发剂容易引起予凝胶。

    4.料团暴露在空气中的时间过长，变得干硬，干的料团阻止料流，造成予凝胶、捕捉空气。

问题十、树脂富集

    制品表面的某个区域纤维含量过低。可能的原因及纠正的措施：

    1.过分长的料流能引起玻纤取向，并在延伸的料流中短缺玻纤。

    2.过分快的合模速度增加了料流速度，导致玻纤取向和玻纤分布不均匀，较慢的闭模速度能使基料带动玻纤有序流动，减少树脂富集。

    3.过低的粘度就无能力带动玻纤一起流动，很容易引起料流范围内的树脂富集。需要提高增稠程度。

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