30长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料LGF30 PP

 

长纤维增强热塑性复合材料的好处

长纤维增强热塑性复合材料具有许多独特的功能，可转化为所需的产品优势。单独或组合使用，这些好处提供了有意义的动机，可以在各种应用中使用长纤维复合材料。

财产平衡

长纤维复合材料是可注塑热塑性塑料中结构性能的顶峰。它们 在单一材料中将高水平的  刚度，  强度和  韧性结合在一起。增强可熔融加工热塑性塑料的其他方法无法与它们的关键性能性能三重奏相媲美。

长纤维复合材料的高机械性能特征是为什么它们经常被选作金属的替代品，性能不佳的塑料的替代品，或者通过对低成本塑料进行再加工而替代成本较高的工程聚合物的原因。

从以下主题中进行选择，以了解有关长纤维复合材料益处的更多信息：

• 刚性

• 强度

• 韧性或耐久性

• 轻量化

• 抗蠕变性

• 疲劳耐力

• 低温性能

• 耐热性

• 尺寸稳定性

• 阻尼

• 设计自由

• 降低系统成本

• 耐腐蚀性和耐化学性

• 回收与LCA

• 射线可透

• 热隔离

• 功能表现

• 

  刚性

  在可延展的热塑性聚合物中添加纤维增强材料可显着提高模量。这种模量增加与适当的组件设计相结合，包括均匀的墙体与下面的肋骨和角撑板相结合，而不是厚壁的横截面，大大提高了模制品的刚度。

  复合材料中包含的增强纤维的类型和数量有助于提高刚度。碳纤维比玻璃纤维或天然纤维更能增加模量，纤维含量为50％的复合材料比纤维含量为30％的复合材料更坚硬。使用提供更高刚度的复合材料可提高承载能力，或允许设计更薄的壁部以减少材料使用量并降低成本。

  通过纤维增强获得的刚度还可以转化为高温下的性能提高。热变形温度（HDT）提供了短期承载能力的指标，与未改性的聚合物相比，纤维增强材料的热变形温度显着提高。

   

  强度

  增强纤维的长度更长或更长的长宽比，将使长纤维复合材料具有更高的强度，这转化为在载荷下抵抗变形或蠕变的能力，以及在最小的压缩下具有更高的疲劳强度。更大的纤维长丝表面积为可延展的聚合物提供了更多的能力，可以抓住并在构件成型过程中形成的更坚固的内部纤维骨架上传递应力。

  增强纤维  在注塑部件内的取向也显着影响复合材料的强度。尽管长纤维缠绕在一起形成内部结构骨架，从而在所有三个平面上都提供了增强作用，但随着模具的填充，它们也沿聚合物流动的方向排列。为了获得最佳性能，模具设计应鼓励纤维在关键区域垂直于应力方向对齐。

  重要的是通过仔细控制加工参数来保持最大纤维长度  。纤维长度的磨损可能是由于注塑机中的剪切或过紧的流道半径以及模具中的浇口不当所致。中值纤维长度的显着减少将降低性能。

  韧性或耐久性

  通常，较硬的塑料更易碎。但是，对于长纤维复合材料，较长的增强纤维长度会颠倒这种类比。纤维增强物的较高的长宽比有助于在冲击时聚合物和纤维丝之间更有效的能量转移。长纤维交织在一起的网络还有助于在整个复合结构中消散这些力，而不是使它们局限于一个区域。

  长纤维复合材料的较高韧性使其成为具有结构特征的最耐用的注塑塑料材料之一。它们是经受反复冲击力但需要保持其形状而不会永久变形或功能下降的应用的理想选择。出色的能量消耗还提高了它们的声音和振动阻尼能力。

  包含长纤维增强材料，可通过形成坚固的内部纤维骨架来帮助复合材料抵抗开裂并阻止裂纹扩展。尽管长纤维复合材料具有出色的抗冲击性，但设计仍可以在较高的预期载荷下发生故障，以防止破坏力转移到相邻系统上。更长的纤维长度还可以最大程度地减少故障期间的材料破碎。

  另外，长纤维复合材料在低温和高温下仍具有相当大的耐久性，这使其成为暴露于不同气候的设备的理想之选。

  轻量化

   

  长纤维复合材料的高强度重量比使它们成为寻求减轻重量的材料的合适金属替代介质。结合适当的组件设计，长纤维复合材料可以提供与普通压铸金属（即镁，锌合金和铝）相同水平的机械性能。

  光的加权或质量减少  是一个核心聚焦在航空和汽车市场中，重量减少功能有助于提高燃料经济性和减小相关联的排放量。在这种情况下，长纤维复合材料是较重材料的环保替代品。较少使用性能更高的材料不仅是减轻重量的策略，而且还可以降低总体材料成本，尤其是当纤维增强材料用于改造低成本聚合物的结构特性或在较高成本的工程中用作价格稀释剂时树脂。

  对于许多消费品而言，减轻重量可以促进需求的可携带性，同时还可以提高功能性并改善人体工学。便携性扩展到体育用品和工具，其中较轻的部件减轻了操作疲劳。使用碳纤维增强复合材料，消费者可以利用“高科技”材料为产品增加附加的感知价值。与由较简单的塑料制成的产品相比，此概念提供了竞争性的营销优势。

  在金属替代应用中，当组件通过重新设计利用塑料独特的特性而不是尝试将其用作嵌入式替代品时，长纤维复合材料最为成功。使用计算机模拟进行的设计分析在尝试复制增强塑料中金属的结构性能属性时特别有用，因为纤维对齐成为关键的设计标准

   

  抗蠕变性

  如果塑料制品长时间承受恒定载荷，热塑性塑料的无定形和半结晶形态会导致冷流或蠕变效应。纤维增强剂可显着增强和增强聚合物，以抵抗长期承受负荷的分子链中的打滑。增强设计元素也可以合并到塑料制品中，以在单独的材料能力之上获得额外的刚度和强度。

  长纤维增强的热塑性塑料能够在载荷引起的变形开始发生之前接受短纤维化合物几乎两倍的应力。通常，塑料制品的载荷力应不超过材料最大载荷能力的一半，以防止发生蠕变。

   

  循环疲劳强度

  反复加载和卸载或弯曲挠曲引起的材料疲劳会导致材料意外或过早失效。长纤维复合材料中较长的增强纤维网络通过将应力能分散在较宽的区域而不是局限于一个区域，从而提高了其对周期性疲劳的承受能力。更长的纤维长度及其缠结还可以抵抗裂纹扩展，裂纹的形成可以预示即将发生的材料故障。

  PlastiComp进行的测试表明，长纤维复合材料在位移情况下的弯曲挠曲循环能力是同等短纤维复合材料的二十倍。单向带状插入物的战略性加固可将性能扩展到400倍以上。

   

  低温性能

  与其他类型的增强塑料相比，长纤维复合材料中聚合物的延展性与较高的纤维长径比相结合，使它们在低温和高温下仍能保持更高的耐久性。

  长纤维复合材料通常在-60°F（-50°C）下具有与室温下相似的冲击性能。高温或高温性能对应于聚合物的形态及其玻璃化转变温度，但是长纤维增强的热塑性塑料将比未增强或短纤维增强的塑料保留更长的结构性能。

   

  耐热性

  长纤维增强提供的模量增加也增加了复合材料的耐热性。与未改性的聚合物相比，纤维增强可以使复合材料在高温下保持更多的机械功能，并更接近聚合物的玻璃化转变温度（Tg）。
  通过在载荷下的挠曲温度（DTUL）或热挠曲温度（HDT）测量的长纤维复合材料的耐热性提供了材料在高温下短期承载能力的指标。

  热塑性塑料是粘弹性材料。在使用环境中存在温度影响时，它们的机械性能会受到时间的影响，以及它们的熔点附近时，聚合物的形态也会受到影响。使用半结晶聚合物基质的复合材料将比无定形聚合物更接近于聚合物的玻璃化转变温度（Tg）保留一些机械性能。

  热变形温度@ 264 psi

	尼龙6/6	ETPU	聚丙烯
未改性的聚合物	150°F / 66°C	140°F / 60°C	130°F / 54°C
玻璃纤维增强	485°F / 252°C	200°F / 93°C	305°F / 152°C
碳纤维增强	485°F / 252°C	200°F / 93°C	275°F / 135°摄氏度

尺寸稳定性（收缩，翘曲和热膨胀）

长纤维复合材料是可注塑成型的增强热塑性材料中尺寸最稳定的材料。所有塑料在固化时都易于产生一定程度的收缩，因为这有助于将其从注塑模具中移除。通常，聚合物的收缩量是一致的，并且在部件设计中考虑在内，这使得能够保持严格的设计公差。

当模子填充时，增强物沿聚合物流动的方向排列，这可能导致各向异性。各向异性的收缩会在组件冷却时引起翘曲和变形。由于长纤维复合材料的纤维长径比较高，因此纤维往往会缠绕在一起，从而在注塑成型部件内形成内部结构骨架。与其他类型的增强材料相比，这种与长纤维复合材料的不连续纤维缠绕可以改善尺寸稳定性，具有几乎各向同性的收缩特性，从而最大程度地减少了差速冷却引起的翘曲。

与相同类型的未增强塑料相比，长纤维增强复合材料还表现出降低的热膨胀性，这是因为其内部增强纤维网络可提供抗挠曲和变形的能力。这种纤维网络还有助于组件抵抗厚壁部分中的散热片形成。

阻尼（声音和振动）

热塑性塑料固有的延展性与能量消耗效率相结合，使长纤维增强复合材料具有更高的韧性以抵抗冲击力，这也转化为良好的振动和声音阻尼能力。

长纤维增强纤维交织在一起的部分形成了一个导管网络，应力能量通过该导管网络散布在整个模制品中，而不是局限于承受力的区域。热塑性材料的粘弹性还有助于吸收能量，而不是将其反射或传播为振动波或声波。

设计自由

关于塑料，设计自由的概念包含以下几个子主题：

 

• 复杂的几何形状  –从金属成型方法转变为长纤维复合材料的注塑成型，可以生产具有更复杂几何形状的组件。从弯曲的曲线到复杂的细节，设计成本高昂而难以机械加工或难以铸造到金属上的设计，都是容易且廉价的，可以使用注塑成型工艺重复大量生产。

• 零件合并  –生产更复杂的3D形状的能力导致零件合并，并消除了相应的生产，二次操作和组装步骤，从而节省了人工和时间。注塑成型可以在一步完成的过程中反复生产出最终形状，从而达到成品规格。可以使用激光，声波或热焊接技术将多个组件永久连接在一起。

• 改进的功能  –更有机和美观的设计允许功能和人体工程学的集成，这在其他材料介质中是不可行的。这些特性可用于区分使用长纤维复合材料生产的产品与竞争对手。刚性热塑性结构可与较软的热塑性弹性体一起包覆成型，以改善人体工程学或增加额外的冲击防护。

  降低系统成本

  在部署长纤维复合材料来替代其他材料时，人们不仅需要材料成本。长纤维复合材料通常通过注塑成型进行加工，这是一种高效方法，可以大量重复生产高质量的组件。与其他材料相比，塑料还需要更少的精加工操作，并且它们增加的设计自由度可以减少部件数量，从而省去组装步骤。

  如果考虑了所有组件的生产成本，则使用易于加工的材料可以降低总体成本，即使每磅或千克的成本更高。也可以从较轻的材料中按立方体积生产更多的组件。

  加工塑料所需的低能量输入产生有利的生命周期分析（LCA）效益，并且不会产生任何有毒废液。作为可熔融加工的材料，热塑性塑料是可重整和可回收的。

  耐腐蚀性和耐化学性

  钢会生锈，木会腐烂，并且串联使用的异种金属会导致腐蚀，但是热塑性聚合物的惰性性质使其适合用于寿命不确定的产品。

  当暴露于某些种类的化学物质和辐射类型时，某些聚合物容易降解。选择合适的长纤维复合材料时，请确保基质树脂与您的应用程序所使用的预期使用环境和操作条件兼容，即使它是间歇性暴露，也要确保与预期寿命周期兼容。

  回收与生命周期分析

  可熔融加工的塑料是完全可重整和可回收的。工业后的废料通常以较低的百分比重新掺入注塑工艺中，以利于其再利用。尽管纤维增强塑料通常不被消费后的路边收集计划接受，但是通过报废设备回收计划产生的可回收纤维增强塑料市场仍然存在，在该市场中，可以收集和分离足够数量的材料。

  由于塑料的熔点低于金属，因此制造部件所需的能量输入更少，并且加工或后处理不会产生任何有毒废液，因此可带来有利的生命周期分析（LCA）效益。掺入塑料基体中的颜色可以消除产生不希望的VOC排放的二次喷漆和涂饰操作。重量较轻的产品还具有较低的运输开销及其相关影响。通过针对使用环境文章选择合适的基体聚合物，热塑性复合材料的生命周期不确定。

  射线可透

  塑料制品对短波长辐射是透明的，在X射线或透视检查过程中几乎看不见。长纤维复合材料中包含其他添加剂可使模塑制品不透射线，用于医学诊断程序。

  长玻璃纤维复合材料具有非磁性和电绝缘特性，因此可以安全地与磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT或CAT）扫描诊断设备结合使用。

  无线电透明性和高介电性能使长玻璃纤维增强热塑性塑料成为利用无线传输技术的消费电子产品的理想材料。

  热隔离

  热塑性塑料的导热系数低于金属。这在低温或高温下的处理过程中提供了一致且更舒适的触感，这是非常理想的。如果需要散热能力，将特殊的添加剂技术结合到长纤维复合材料中可以促进热传递。

  功能表现

  该添加剂除了纤维增强包容可提供热塑性复合材料提供有价值的增强性能，可以扩大其功能，并允许更有效的产品的开发。

• 耐磨性 –通过掺入迁移到表面的内部润滑剂来增加耐磨性（表面磨损和摩擦），以减少维护并提高可靠性，或使连接的运动部件之间的噪音最小化。

• 导电性 –通过添加技术来改变塑料固有的电绝缘性，以使其具有抗静电，静电消散，导电性或提供EMI屏蔽特性。
  阻燃剂–加入阻燃剂可提高产品安全性，以提供无卤素的阻燃/烟密度/烟毒性（FST）和UL94认证。

• 颜色 –自定义颜色会改变外观，以增加消费者的吸引力并简化识别。您不再需要妥协并且只接受黑色零件即可获得结构性能。聚合物流动促进剂和优化的加工工艺可产生光滑，富含树脂的表面光洁度，不含可见纤维。

• 复合材料新产品研发技术开发中心

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  我们内部的技术开发中心是一个创新引擎，可帮助我们的合作伙伴通过利用长纤维增强热塑性复合材料的设计和性能优势，快速将其产品从概念引入生产，或使现有产品更好。

  的复合材料专家拥有600多年的行业经验。他们每天运用这些知识来帮助使产品更坚固，更坚固，更轻巧，从而使我们能够通过发展您的业务并提高其盈利能力共同取得成功。

   

  的厂内达芬奇研发实验室为长纤维增强热塑性复合材料创新提供了理想的环境。

  技术开发中心解决方案

  定制复合材料

  从适当的聚合物基质选择到各种结构纤维选择，甚至包括具有多功能功能的添加剂，我们都可以量身定制长纤维增强热塑性复合材料配方，以满足您的性能和成本目标。

  工艺创新

  从拉挤复合材料颗粒生产到组件成型技术，不断完善和重新定义热塑性复合材料的加工工艺。我们甚至扩大了具有选择性或战略性增强功能的复合材料的用途。

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  我们致力于适应长纤维技术以满足市场和应用需求的重点包括评估新的聚合物，纤维和添加剂选项。我们与使用复合材料的行业供应商和合作伙伴合作，以创新的方式扩大复合材料功能的范围。

  服务

• 产品设计与性能分析

• 流模拟

• 有限元分析

• 机械/纤维取向分析

• 机械性能测试

• 复合材料

• 成型品

• 拉挤复合材料

• 颗粒/颗粒

• 单向胶带

• 注塑成型

• 原型/评估文章

• 小批量垂直解决方案

• 50至440吨

• 压缩成型

• 12至52英寸

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• 共挤

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• 库存形状

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成功使用长纤维热塑性复合材料替代金属的设计注意事项

摘要 ‒长纤维热塑性塑料（LFT）复合材料设计研究通常强调纤维含量，但在纤维取向，纤维-基体界面和模具设计上比较粗略。我们采用全包方法在金属替代应用中成功部署LFT材料。实例显示了通过重新设计注塑生产的应用，碳纤维化合物能够成功替代压铸镁多长时间。根据有限元分析（FEA）和模流分析（MFA）的建议，通过战略性浇口位置在关键应力位置实现量身定制的光纤架构。通过优化的成型工艺来最大化机械性能。

 

介绍

热塑性或热固性树脂的纤维增强是一门成熟的科学[1]。最早的应用是在航空航天领域，例如导弹的鼻锥，其中酚基基质用碳纤维增强。当前，热塑性塑料在各种工业领域的使用正在增加，因为它们消除了潜在的有毒制造工艺，并提供了更快，更简化的生产方法，从而降低了成本并缩短了上市时间。它们在很大程度上也是可回收的。

与热固性复合材料相反，热塑性塑料中的纤维增强大部分是不连续的，因为它必须适合于常见的制造工艺，例如注塑成型。尽管几种替代制造工艺可以容纳连续的增强材料，但我们专注于注塑成型的长纤维增强热塑性复合材料。

由于重点在于不连续增强，因此重要的是要考虑这些复合材料中纤维的长度和方向。大多数纤维增强的热塑性塑料都包含短切碎或磨碎的纤维，这些纤维不具备有效的增强作用所必需的纤维长度或长宽比。长纤维增强材料填补了这一空白，长径比通常超过800。此外，纤维形态，纤维直径和纤维与基质的粘合力影响复合材料的性能。充其量是，关于这些问题及其在长纤维复合材料和示例设计中的作用的零散信息，以说明如何实现最佳实践。

通常，纤维含量会定期增加，所报告的性能无需进一步评论。在本文中，我们通过仔细考虑所有设计因素来补充传统方法，这些设计因素可以扩展工程师可用的设计空间，从而使他们能够满足产品规格。

长纤维热塑性塑料

图1是在公司生产LFT粒料或颗粒的示意图。

 图1.拉挤成型LFT制造过程的示意图。

连续纤维束或粗纱通过模头拉挤，该模头用热塑性树脂浸渍各个纤维束。起始纤维长度等于切碎的粒料，通常为12至15mm或1/2英寸，并且平行于粒料长度。重要的是要注意，必须完全浸湿单个纤维丝，以防止纤维断裂并提高性能。因此，在注塑过程中加工LFT粒料同样可保持纤维长度，因为它会影响下游的复合材料性能。

 图2.纤维拉出物的聚结导致形成空隙。

图2显示了在制造LFT粒料的拉挤工艺中纤维浸湿的重要性。如果增强纤维丝束在一起，导致复合材料中的干丝，那么当施加载荷时，这些纤维很容易拉出。留下的空隙成为导致零件故障的关键缺陷。光纤拉出的第二个原因是当光纤长度小于临界长度时，这将在后面讨论。

在不连续的纤维增强中，关键的纤维长度对于使纤维有效地对基体贡献其拉伸性能并起到有效的增强作用是必需的。如下所示。

 图3.嵌入周围矩阵中的不连续单纤维。纤维中诱导的拉伸应力（σ）随着纤维长度的增加而增加。

如图3所示，当将载荷施加到复合材料时，载荷通过周围基质中的剪切力传递到纤维上。剪切是由于基质和纤维的伸长率不同而产生的，其中纤维要坚硬得多。从纤维端开始，施加的负载使纤维承受张力。如图所示，纤维的拉伸载荷随纤维长度而增加。如果有足够的光纤长度可用，则整个施加的负载将转移到光纤上。因此，可以说纤维对复合材料贡献了其拉伸强度。无需添加，纤维-基体界面的剪切强度限制了将多少应力传递到纤维上。通常，定义一个临界光纤长度Lc，

其中，
σf：纤维的抗拉强度
df：纤维直径
ζm：纤维-基体界面的抗剪强度，通常取为基体的抗剪强度

上述方程式强调了纤维纵横比和纤维与基质的粘合起着重要作用的认识。对于任何给定的纤维长度，低的纤维纵横比（L / D）或较低的纤维基质粘合力（ζ）都会导致基体的加固效果较差。对聚丙烯（PP）基体的玻璃纤维增强作用的研究如图4所示。该图表明，万物恒定，复合性能随纤维长度的增加而增加[3]。

 图4.复合材料性能随纤维长度的增加而增加[3]。

图4表明，复合材料韧性是纤维长度保持力的良好度量。确实，可以说LFT复合材料比传统的短纤维填充热塑性塑料的主要贡献在于对韧性的贡献。

图3还暗示了纤维取向的作用。在同一图中，光纤的方向平行于施加的负载，这是最佳条件。当纤维与施加的载荷成一定角度定向时，传递的载荷会减小等于纤维与施加的载荷之间的夹角余弦的系数。因此，在小角度下，传递的载荷几乎与施加的载荷相同。但是，随着角度的增加，传递的载荷会大大降低。因此，纤维取向是重要的考虑因素。

其他纤维特性（例如纤维形态）在复合材料设计中也起着重要作用。大多数纤维的横截面都是圆形的。然而，某些纤维具有锯齿状，齿状，表面或其他物理上的不规则性，这有助于将纤维机械地钉扎到基质上。应该指出的是，这些形态缺陷降低了纤维的性能。然而，机械钉扎到复合基质上的材料强度贡献可以补偿纤维机械强度的损失。

纤维-基体的粘合力受纤维上浆剂中所含偶联剂的影响。尽管此处没有详细说明，但通常会听到“尼龙玻璃”或“聚丙烯玻璃”的信息，这是用于特定热塑性基体的特定上浆组合物的个性化设置。由于在航空航天和风能等工业领域中纤维增强的环氧，聚酯和乙烯基酯基复合材料的使用占主导地位，因此在热固性基质行业中纤维上浆的发展取得了进步。需要快速开发用于热塑性塑料基体的纤维上浆剂。此外，这种发展最好由纤维制造商来承担，因为对纤维表面进行制造后更改总是会导致纤维降解。

注射成型是LFT材料的主要制造工艺，增塑螺杆起着重要作用。由于纤维降解的主要机理是在熔体相中或在模具壁处发生剪切，以及纤维与纤维之间的相互作用，因此熔体粘度会影响纤维长度。它是在诸如注射速度和压力之类的处理条件下考虑的。大压缩比（3：1）和高注射速度（> 50 rpm）和背压（> 50 psi）导致纤维长度降低。其次，用于注射成型的流道和浇口严重影响了纤维长度。已经确定，在注射喷嘴处发生了55.2％的纤维长度磨损，在注射浇口处发生了31.3％的纤维长度磨损，在模具中心发生了13.5％的纤维磨损[4]。必须严格遵守喷嘴和浇口的建议尺寸。

总之，复合强度是几个因素的函数，如下图所示，改变任何一个都会导致性能提高或降低。

 图5.通过操纵几个因素扩展了LFT的工程设计空间。

实例探究

纤维含量是复合材料应用中最常见的变量。通常，当没有达到机械强度的设计值时，典型的方法是增加纤维含量。但是，如图6所示，工程热塑性塑料的性能并未随纤维含量的增加而单调增加。纤维含量的增加会导致基体中纤维末端或应力集中器的数量增加。随着纤维间距离随着纤维含量的增加而收缩，纤维-纤维相互作用，即纤维周围的应力场之间的相互作用可能超过基体树脂的强度，从而导致基体中的大断裂。

 图6.在某些纤维含量水平（PPS树脂中的长碳纤维）下，复合材料的拉伸强度降低。

以下显微照片显示了纤维含量增加的影响。

相干基体
纤维重量40％

基体坏
纤维重量50％

图7.当纤维含量在40 wt％和50 wt％之间时，基体中的应力会导致基体破裂并增加空隙，从而导致复合材料失效（PPS树脂中的长碳纤维）。

请注意，复合材料的刚度或弹性模量随纤维含量单调增加（图6）。然而，当基体崩解时，依赖于基体将载荷传递至纤维的拉伸强度降低。在许多涉及高纤维含量的复合配方中也可以看到类似的效果。同样正确的是，观察到这种破坏的确切纤维含量随热塑性基体-纤维系统而变化。

如前所述，低剪切注模工艺可进一步保留纤维长度。在下图中，对成型零件进行了热解以显示纤维。

 

 

图8.模制和纤维状骨架，显示出由于长纤维（PES树脂中的长玻璃纤维）的骨架网络，如何保持细微的特征（例如，销钉凸起）。

如图8所示，纤维足够长以形成骨架网络并保持模制零件的形状。

由于上浆中的偶联剂主要是光纤制造商的专有信息，因此光纤-矩阵接口的设计不太开放。但是，如下图所示，其影响无法最小化。

纤维基粘合力差

良好的纤维基质附着力

图9.上浆对纤维与基质粘合的影响。

在上面的显微照片中，箭头指出了断裂样品中良好的纤维基质附着力。粘合力差或小于临界纤维长度会导致纤维拉出并削弱复合材料。

在此接合点引入纤维取向是适当的。模具边缘处的纤维取向受剪切力的影响，并且平行于流速前沿或模具边缘。在较大的横截面中，纤维的延伸方向远离模具壁。理想的纤维取向始终是在零件中引起的应力方向上。下图说明了这种情况。

 

 

图10.箭头指向零件设计的更改，以方便注塑。

如上图所示，原始零件（A）是压铸合金。要将其转换为LFT复合材料，重要的是首先减小横截面，以使纤维方向在横截面的中间不会发生变化。优化的零件显示在右侧（B），箭头指示零件设计的更改。这些变化不得损害结构完整性。因此，进行了结构分析（FEA）以分析应力状态，如下所示。

 图11.零件中的应力（浅色）及其箭头指示的方向。

因此，按照图11所示的方向对光纤进行定向非常重要。与Mold Flow分析软件（MFA）推荐的门相比，这是通过将浇口放置在不寻常的位置来实现的。

如图12所示，推荐的浇口位置在零件的对称平面上。但是，通过FEA和MFA的迭代过程，最终将选定的浇口位置定位在零件的侧面，以实现与应力平行的纤维方向。

 

 

图12.（A）箭头指示的最佳浇口位置，（B）选择的浇口位置。

最后要考虑的是，对焊接线的各个浇口位置进行监控，直到可以验证所选的浇口位置不会在零件的临界应力部分产生焊接线为止。下图说明了此策略。

 图13.选定的浇口位置会产生沿应力方向定向的纤维，并且焊缝会从应力区域聚集。

因此，浇口位置在如何实现光纤定向中起着重要作用。

注射成型及其变体（例如“注射-压缩成型”）也会影响纤维的取向和所产生的性能。

 图14.在不同的加工条件下模制了中央浇口的18 cm x 18 cm x 3 mm面板。切出拉伸样品，并在整个板上测量性能。

如图14所示，使用注射和注射压缩成型工艺来成型测试板。在下图中，我们显示了传统的注模成型，即在完全冲压的情况下将材料注入封闭的模具中，如何在零件上产生剪切梯度。替代地，在施加注射压力吨位之前填充型腔的注射压缩会导致熔体中较低的剪切梯度。

射出
成型

注射压缩
成型

图15.传统注塑成型中的大剪切力梯度导致高剪切诱导的纤维取向。

在低剪切环境中，整个模制板的纤维取向相当随机。因此，来自整个模制面板的试样显示出较小的变化。如图16所示，注射压缩成型有利于成型部件中正交异性纤维的取向。

射出
成型

注射压缩
成型

图16.在注射和注射压缩过程中，模压板上的拉伸强度变化。

结论

我们试图展示一种系统的方法来设计LFT复合材料替代金属。传统上，设计工程师可用的唯一变量是所选基质中的纤维含量。但是，正如我们所显示的，可以通过明智地组合设计和制造工程师可用的其他选择来扩展设计空间。