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在本研究中，將廣泛應用于玻璃纖維增強塑料（GFRP）的拉擠成型方法應用于CFRP的成型，以實現低成本和快速成型的目的。拉擠成型是一種連續制造復合材料構件的工藝方法，可用來制造恒定截面的構件。其工藝流程是先將碳纖維在樹脂中浸潤，然后使其在牽引設備的作用下通過擠壓模具成型、固化，連續不斷地生產長度不限的復合材料。

為了通過最少試制次數提取出最佳條件，本研究針對成型模具中的數值粘度分布進行了兩次模擬試制，并成功完成CFRP棱柱管的拉擠成型。

1. 前言

近年來，隨著CFRP開始大規模應用于飛機和汽車領域，由于規模效應的確使價格比以前下降了不少，但仍然有限。另一方面，雖然拉擠成型只能生產線形型材，無法構造復雜形狀的結構件，但GFRP的拉擠成型是成本最低的復合材料的成型方法之一，可用于波形板等的成形。與傳統的成型方法相比，如果采用拉擠成型可以實現低成本生產CFRP梁的話，其應用將會進一步擴大。

一般來說，碳纖維（CF）的直徑為5～7μm，玻璃纖維（GF）的直徑為10～24μm，碳纖維比玻璃纖維更細，而且將阻燃劑添加到熱固性樹脂中以賦予阻燃性時，會造成樹脂粘度上升，因此通常難以使CF充分浸漬到樹脂中。為了實現浸漬，避免氣泡、剝落，需要充分控制成型模具中樹脂的粘度特性。在GFRP中，迄今為止，通過反復多次檢查各種條件的成型試驗，對條件進行了優化。本文介紹了通過對樹脂粘度分布進行模擬，歸納出CFRP拉擠成型的最佳條件。

2. 粘度分布模擬

2.1 熱固性樹脂的拉擠成型

拉拔成形法是將浸漬有樹脂的纖維導入加熱成型模內，連續成型縱向等截面的梁狀材料的方法。在這次的模擬試制中，使用熱固性樹脂作為樹脂。熱固性樹脂在固化前表現出復雜的粘度變化，當加熱時粘度降低，然后隨著固化的進展而發生凝膠化現象，粘度迅速上升。如圖1所示成型模內固化的變化。

圖1 成型模內的固化過程

2.2 計算過程

計算流程如圖2所示。如果對未固化的熱固性樹脂賦予一定的溫度，則在通過化學反應產生發熱現象的同時，樹脂的粘度發生變化。由于這些反應是連續發生的，所以應用了一種簡單的分析方法來分析這一系列發熱現象的溫度變化和相應的粘度變化。

圖2 計算流程圖

首先，考慮成型模中的樹脂和纖維的混合物、成型模具和外部空氣，進行二維穩態傳熱計算，然后根據該結果進行化學反應計算。

在進行化學反應計算時，根據樹脂的固化發熱量進行了固化度預測，一般反應式使用Kamal式。此外，通過差示掃描量熱儀（DSC；Differential scanning calorimetry）測量固化發熱量。如圖3所示關于樹脂溫度與固化度之間關系的計算和實驗結果的比較。使用這些預測公式進行粘度分布模擬。

圖3 樹脂的溫度與固化度之間的關系

圖4 樹脂溫度與粘度之間的關系

3. 驗證試驗

本次試制使用外形為50mm，厚度為4mm的中空棱柱狀可拉擠成型的模具。在拉擠成型中，用加熱器調整成型模具的溫度，使樹脂固化。由于中空棱柱內部沒有加熱器，所以，如何保持厚度方向的溫度均勻性是一個課題。如圖5所示成型模具的位置與溫度、固化度和粘度關系的實測值和計算值之間比較。圖中，根據在上圖確定的成型模具的位置和溫度的關系，從該溫度計算固化度和粘度的結果如中圖和下圖所示。由圖可知，實測值和計算值非常吻合。根據該結果計算出的最佳條件作為輪廓圖如圖6所示。圖6（a）表示溫度分布，圖6（b）表示固化度分布。根據圖6(a)，可知在成型模入口處紫色和藍色的分界線傾斜，厚度方向的溫度分布不均勻。另一方面，在對固化度有重要影響的成型模具的出口處，紅色和橙色的邊界更接近垂直，厚度方向的溫度分布變得均勻。反映到這一點，即使在圖6(b)中，顏色的邊界也幾乎垂直，幾乎看不到固化度和厚度方向的分布，因此可以算出良好的條件。

圖5 成型模位置與溫度、固化度及粘度之間的關系

圖6 最佳條件分布圖

將按照以上最佳條件試制的中空棱柱狀成型品延任意截面切斷、研磨，確認內部狀態。如圖7所示，該圖的中央部分表示整體狀態，周圍各圖是各部分的放大圖。中間黑色部分是研磨是埋入的樹脂，四周的白色是成型品。在該圖的右側兩處是代表性纖維的體積分數（Vf；Volume of fiber）的值，包括該位置在內的所有測量位置的Vf的平均值為61.0%。另外，沒有發現裂紋和氣泡等明顯內部缺陷，可以確認品質良好。

最后，將試制品切割成條狀進行拉伸強度測試。如圖8所示試驗片的載荷-應變線圖。由圖可知，本次試制品具有與軋制鋼材SS400相同的強度，而且負荷與應力呈線性關系，未觀察到樹脂破損的征兆。

圖7 中空棱柱成型平的斷面

圖8 負荷-應力試驗

4. 結語

本文介紹了粘度分布模擬在實際拉擠成型中的應用，并取得了滿意的結果。這種粘度分布模擬技術和拉擠成形技術是支撐復合材料零件制造的關鍵技術。由于需要輕量化的結構部件很多，所以今后有望在在各種產品上應用，同時通過進一步技術提高，將為復合材料制造的高速化、低成本化做出貢獻。

參考文獻

• M.R. Kamal et al., The behavior of thermosetting compounds in injection molding cavities, Polymer Engineering and Science, Vol. 20 (1980), p.859～867

• Castro J. M. et al., SPE Tech. Papers, 26 (1980), p.434