模压碳素制品裂纹与防控技术分析

作者简介：刘传军（1987.10-），男，民族：汉，学历：大专学历，研究方向：节能工程

摘要：模压制品是一种利用模具将处于熔融状态的塑料加工成所需形状、尺寸的物品的一种加工工艺，其优势在于制品质量高、生产率高等。由于实际生产中，这类模压制品经常容易出现影响产品使用和外观质量的裂纹，所以，以提高模压碳素制品质量为目的，分析模压碳素制品裂纹的形成原因，包括原材料存在质量问题、模压工艺参数设置不当、模具设计缺乏合理性、后处理不到位等，探讨其防控技术，提出优化原材料选择和处理、精准管控模压工艺参数、改良模具设计和后处理工艺等建议，以期对提高模压碳素制品生产质量有所帮助。

关键词：模压碳素制品；裂纹；防控

引言：模压碳素制品类型多样，因具有高导热性、耐高温性及优异的机械强度等特点被广泛应用于航空航天、电子封装、核能等领域。然而，模压成型及后处理环节中经常出现的裂纹，在一定程度上影响力制品的使用性能和质量，限制了碳素制品的应用。基于此，从模压碳素制品裂纹的形成原因出发，研究其防控技术，旨在有效减少裂纹，提高碳素制品的质量和性能。

1模压碳素制品裂纹的形成原因

1.1原材料存在质量问题

第一，因收缩差异引发裂纹。出现这种裂纹的原因有两种，一是原料中混入金属碎屑、非碳质异物，二是颗粒级配不合理，如细粉过多或粗颗粒集中等。若出现上面两种情况，模具在压制原料时容易出现应力分布不均的现象，并导致局部弱区的形成，而后脱模时，制品便容易出现因收缩差异导致的裂纹。第二，因粘接强度不足产生界面裂纹。受沥青、树脂等粘合剂的流动性差或固化速率不稳定等因素影响，模压时，易出现碳颗粒间隙无法被有效填充的问题。受其影响，当原料固化后，制品极容易因粘接强度不足而产生界面裂纹。第三，批次波动引发内部微裂纹。不同批次的原料的挥发分含量、灰分指标有所不同，所以当这些原料被投入生产中时，很有可能出现因性能指标差异导致的排气不畅或热解气体残留所导致的内部微裂纹。

1.2模压工艺参数设置不当

第一，温度。温度过高容易引发因粘合剂过早分解导致的材料脆化，脱模时，制品容易因弹性变形能力下降而开裂[1]；温度不足易造成粘合剂软化不充分、流动性差，此时易出现压制密度不均等问题，而这易导致制品形成层间剥离裂纹。第二，压力。若多腔模具中各模腔压力的实际差异超过10%，制品密度会出现明显的梯度特征。当进入冷却收缩时，制品易沿密度突变面开裂。第三，保压不足。卸压过早易导致材料回弹、内部微孔压实不充分，后续烧结时，孔洞容易继续扩展并成为裂纹。第三，升温/降温速率。快速冷却的制品，会因表层与芯部温差过大而产生热应力裂纹。

1.3模具设计缺乏合理性

第一，脱模结构问题。一般情况下，当脱模斜度小于1°时，制品会与模壁产生较大的摩擦力，换而言之，制品在顶出过程中会因侧壁阻力过大而出现应力开裂；若制品顶出点实际间距超过50mm，容易出现因局部应力过度集中导致的裂纹。第二，排气设计不足。通常情况下，排气槽深度和数量是影响压制时原料排气程度的主要因素。若排气槽深度小于0.03mm或数量不足，制品极容易在后续加工环节出现因前期挥发性气体排出不及时所导致的由气泡或层间鼓包扩展而来的裂纹。第三，热膨胀失配。模具钢等模具材料与碳素制品之间存在约3×10-6/℃的热膨胀系数差异未得到补偿，而这会导致制品在高温脱模时，出现因界面剪切力过大所引发的裂纹。

1.4后处理不到位

第一，固化/碳化不到位。当升温速率超过3℃/min时，碳素制品内部容易出现因粘合剂热解所产生气体排出不到位引发的内部气压升高等问题，而这容易导致垂直于压制方向的炸裂纹的形成。第二，冷却方式不合理。采用直接水冷或强风冷却工艺降低碳素制品温度，易出现制品表面骤缩、芯部高温的现象，此时碳素制品容易出现环状裂纹。第三，机加工损伤。当刀具进给速率超过0.1mm/r或未使用金刚石涂层刀具时，碳素制品容易因切削振动而出现微裂纹。而这些微裂纹容易在后续加工环节发展成裂纹。

2模压碳素制品裂纹的防控技术

2.1优化原材料选择和处理

一是重视原料筛分与预处理。针对因杂质导致的裂纹，在前期，需采用磁选+分流分选技术，仔细筛除原料中的铁等金属杂质以及二氧化硅等非碳杂质，并将二者含量分别控制在0.01%、0.05%以内。二是合理优化颗粒级配。采用激光粒度仪等设备分析确定粗颗粒、细粉等原料的粒径大小，以减少因压制密度不足引发的裂缝。三是采用预烧工艺增加挥发气体释放量，减少碳素制品成型时内部的气孔数。

2.2精准管控模压工艺参数

第一，协同控制温度和压力。采用分段控温策略，差异化管理预热阶段、成型阶段以及冷却阶段的实际温度，同时，采用伺服液压系统，闭环式控制压力，以免其波动超过±2%、多腔模具各模腔压力偏差超过5%。第二，构建多级排气体系，通过在压制时增加2-3次时长为0.5-1s的短暂卸压，让制品内部的挥发性气体尽可能地排出，以减少内部层间鼓包，进而降低裂纹的发生概率。第四，针对热保压时间不合理引发的裂纹，在加工碳素制品时，可通过DSC测定粘合剂固化窗口等方式，确定保压时长，动态调整保压策略，以最大限度地提高制品内部微孔的压实密度。

2.3改良模具设计和后处理工艺

一是优化模具结构设计，通过调整脱模斜度、顶出速度等，处理因应力过度集中引发的裂缝[2]；二是通过调整模具型腔尺寸、材质，缩小热膨胀差异系数，以达到通过降低热失配减少裂纹的目的；三是通过优化后处理工艺，包括实行梯度冷却、程序化碳化等策略，减少裂纹。

结语：综上所述，模压碳素制品裂纹的形成原因多种多样。因此，在预防裂纹时，需同时考虑多种影响因素，制定涵盖多种防控技术的预防方案，以最大限度地规避裂纹的形成。另外，本次分析并未涉及数字孪生、人工智能等技术的应用，在研究上还存在一定的缺陷性，所以，后续会进一步纵深研究新一代技术支持下的模压碳素制品裂纹防控策略。

参考文件：

[1]赵川涛，贾志欣，刘立君，等.环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析[J].中国塑料，2024，38（02）：26-32.

[2]汪洋，戈家荣，邹尚武，等.碳纤维复合材料弹翼模压成型模设计[J].模具工业，2022，48（10）：60-64.