技术分享 | Moldflow材料属性及数据完整性介绍

准确的材料属性数据是获取可靠模拟结果的核心前提。Autodesk Moldflow材料数据库各种等级的热塑性及热固性材料已超过10000多种。材料属性是塑料分类的核心依据，通常可根据结晶度、热响应特性及化学成分等关键指标，将塑料划分为不同类别。根据塑料不同的属性（例如结晶度、对于热的反应及其化学成分）将材料划分为不同的类别，本文重点阐述以下核心内容：- 热塑性材料特性- 会发生翘曲的材料- 材料结晶度- 结晶材料族- 热固性材料- Moldflow分析所需的材料属性- 环境对材料的影响- Moldflow材料数据完整性体系

一、热塑性材料特性本节系统阐述选择热塑性材料等级时需重点考量的核心特性，为材料选型与模拟分析提供理论支撑。        1. 结晶度材料的结晶度可以用来识别聚合物在加工温度时的状态，状态变化范围包括从无定形状态到晶体状态。无定型聚合物没有分层，在各类工况下均保持该状态。晶体聚合物具有有序排列的塑料分子，从而使分子排列更加紧密。结晶度的范围与温度与时间相关，结晶成分少，则冷却速率快，反之亦然。在注塑成型产品中，较厚区域相对比较薄区域冷却较慢，因此结晶度较高，体积收缩幅度也会较大。        2. 模具温度和熔体温度模具温度特指模具与聚合物接触表面的温度，该温度会影响塑料的冷却速率，不能高于特定材料的顶出温度。熔体温度即塑料熔融状态下的温度，提升熔体温度可有效降低材料粘度，较高温熔体温度能够减小冻结层厚度，降低冻结层的厚度将减少剪切应力，从而减少流动期间材料取向。        3. 热属性材料的比热容（Cp）定义为单位质量材料温度升高1摄氏度所需吸收的热量，用于量化材料将热输入转化为温度升高的能力。该参数的测量条件为标准大气压及不超过材料最大加工温度的温度范围。在“热属性”选项卡中，比热容数据以表格的形式显示比热数据。材料的热传导率（k）是指单位长度材料在单位温度梯度下的热传导速率，用于衡量材料的散热能力。该参数在特定压力及温度范围内进行测量，单位为瓦每米摄氏度（W/m-℃）。在“热属性”选项卡中，比热容数据和热传导率数据以表格的形式显示，具体说明如下：比热容数据表格中每行对应特定温度下的比热容数据；热传导率数据表格中每行对应特定温度下的热传导率数据。

• T为测试温度，单位为摄氏度（℃）。
• Cp为对应温度下的比热容值，单位为焦耳每千克摄氏度（J/kg-℃）。
• k为对应温度下的热传导率值，单位为瓦每米摄氏度（W/m-℃）。

• 比热容数据表格中“加热/冷却速率”为测试过程中材料的温度变化速率，由于测试中材料通常处于冷却状态，该值一般以负值表示，常规取值为-0.3333，单位为摄氏度每秒（℃/s）。热传导率数据表格中“加热/冷却速率”是材料在测试时的加热或冷却速率。该值通常为零。测量单位为 C/s，表示每秒的温度变化（以摄氏度为单位）。热传导率数据表格中“加热/冷却速率”为测试过程中材料的温度变化速率，该值通常为0，单位为摄氏度每秒（℃/s）。

       4. 粘度粘度是衡量材料在外加压力下流动能力的指标，材料粘度主要受温度与剪切速率影响。通常，随着温度升高及剪切速率增加，材料粘度呈下降趋势，表明其流动能力增强。材料数据库的“流变属性”选项卡提供材料粘度指数，该指数基于剪切速率1000 1/s计算得出。        5. pvT 数据Moldflow提供的pvT模型用于说明材料在填充或填充+保压分析过程中的压缩特率，该模型为数学模型，针对不同材料采用不同系数，提供了压力相对体积和温度的曲线。基于pvT数据进行分析，结果更准确，但对每一点的温度与压力进行迭代计算会增加整体计算量。其特别适用于厚度存在突然且显著变化的复杂模型分析。        6. 收缩塑料在冷却过程中会因体积收缩导致尺寸发生显著变化，影响收缩的核心因素包括冷却取向、结晶度及热量集中。        7. 光学属性透明塑料在应力作用下会产生应力双折射现象，光线穿过零件的速度取决于光的偏振。这种双折射可能导致重影及传输不规则的偏振光，不同材料发生应力双折射的敏感程度存在差异。        8. 复合材料复合材料是指为提升注塑成型性能而添加填充物的聚合物材料，填充物可增强聚合物强度并保障制件质量稳定性。复合材料中纤维含量通常占重量的10%至50%，此类材料可视为同时适用于机械作用与流体动力学纤维交互作用的浓悬浮液。在注塑成型复合材料中，纤维取向分布呈现分层特征，其分布状态受填充速度、工艺参数及材料特性共同影响。        9. 环境影响不同材料的环境影响存在差异，材料所属的聚合物族可反映其加工性能与潜在可回收性。系统提供的树脂识别码可辅助识别材料所属聚合物族。在注塑成型工艺中，最小化成型工艺既降成本又环保。基于产品的几何特征与厚度预测得出的注射压力及冷却时间，Moldflow材料数据库中的能源使用指示器可以指明从任何给定的材料生产某种零件的相对能源要求。树脂识别码与能源使用指示值均存储于热塑性材料数据体系中。

二、会发生翘曲的材料        1. 翘曲所有聚合物在冷却过程中均会发生收缩，若在不同位置收缩程度存在差异，则会引发翘曲变形。当制件几何结构存在翘曲倾向时，采用半结晶材料会加剧翘曲问题。材料收缩特性也会对翘曲变形产生影响，其中半结晶材料的自然收缩率高于无定形材料。翘曲控制方法：

• 降低模具温度：收缩与翘曲程度随模具温度升高而增加，较高的模具温度会降低材料冷却速率，延长制件冷却与冻结时间，使晶体成分占比上升。因此，若要降低模具中半结晶区域的比例，需要降低模具温度。
• 减小壁厚：收缩率随壁厚增加而提高，壁厚增加会延长区域冷却与冻结时间，缓慢的冷却过程使区域内晶体成分占比上升，进一步加剧收缩与翘曲。因此，减小壁厚可降低模具内半结晶区域比例。

• 选择非半结晶材料：通过Moldflow材料数据库中“分析向导”的“选择材料”页面，搜索与目标材料属性相似但非半结晶的替代材料。

三、材料结晶度材料结晶度是指液态材料固化为晶态结构的过程。塑料分子以长原子链形式存在，这些分子链的排列状态决定了材料的结晶特性：规则排列形成晶体结构，不规则排列形成无定形结构，两种结构共存则形成半结晶结构。        1. 结晶度与收缩、翘曲的关系若制件在所有方向及模具各区域均实现均匀收缩，则不会发生翘曲变形。由于晶体材料的自然收缩率高于无定形材料，当制件存在结晶度差异时，必然伴随收缩差异，进而引发翘曲风险。        2. 结晶度的发展规律半结晶材料虽具有结晶倾向，但其表现出的结晶度受熔体冷却速率显著影响：熔体冻结速度越快，塑料的结晶部分成型所需的时间就越少。若制件某些区域冷却速度较慢，这些区域将形成更高的结晶成分占比，导致收缩率上升。影响熔体冻结速度的核心因素包括：

• 模具温度：模具温度越高，保温时间越长，熔体冷却过程越缓慢；

• 模具几何：厚壁区域冷却速度低于薄壁区域，因此厚壁区域的结晶度与体积收缩率均高于薄壁区域。薄壁区域的体积收缩率往往低于PVT数据的预测值。

四、半结晶材料族半结晶材料是同时包含晶体区域与无定形区域的聚合物材料，Moldflow材料数据库中涵盖的半结晶材料包括：HDPE、HTN、LDPE、LLDPE、LMDPE、PA、PA12、PA46、PA6、PA610、PA612、PA66、PA666、PA66T、PA6T、PA6T/61、PA6T/66、PBT、PE、POM、POM-HI、PP、PP/EPDM、PP/EPR、PP/PE、TPE、TPO、TPR、UHMWPE、VHMWPE。 五、热固性材料

交联是热固性材料特有的化学过程，指材料分子间形成化学键并构建相互连接网络结构的过程，这是热固性材料与热塑性材料的主要区别。成型前，热固性材料的分子链结构与热塑性材料相似；成型过程中，通过加热和/或化学活化作用，热固性材料发生聚合（反应或固化），形成交联微观结构。反应完成后，聚合物分子链通过化学键交联形成三维网络，分子间的交联键限制了单个分子链的滑动能力。热固性材料固化后形成不熔化、不溶解的固体状态，在不破坏化学键的加热条件下，无法重新软化及加工。下图为热塑性材料和热固性材料的属性对比：

六、Moldflow分析所需的材料属性