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在本研究中，將廣泛應(yīng)用于玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）的拉擠成型方法應(yīng)用于CFRP的成型，以實現(xiàn)低成本和快速成型的目的。拉擠成型是一種連續(xù)制造復(fù)合材料構(gòu)件的工藝方法，可用來制造恒定截面的構(gòu)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(shè)備的作用下通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地生產(chǎn)長度不限的復(fù)合材料。

為了通過最少試制次數(shù)提取出最佳條件，本研究針對成型模具中的數(shù)值粘度分布進(jìn)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(guī)模應(yīng)用于飛機(jī)和汽車領(lǐng)域，由于規(guī)模效應(yīng)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(chǎn)線形型材，無法構(gòu)造復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件，但GFRP的拉擠成型是成本最低的復(fù)合材料的成型方法之一，可用于波形板等的成形。與傳統(tǒng)的成型方法相比，如果采用拉擠成型可以實現(xiàn)低成本生產(chǎn)CFRP梁的話，其應(yīng)用將會進(jìn)一步擴(kuò)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(xì)，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(xiàn)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(fù)多次檢查各種條件的成型試驗，對條件進(jìn)行了優(yōu)化。本文介紹了通過對樹脂粘度分布進(jìn)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(dǎo)入加熱成型模內(nèi)，連續(xù)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(xiàn)出復(fù)雜的粘度變化，當(dāng)加熱時粘度降低，然后隨著固化的進(jìn)展而發(fā)生凝膠化現(xiàn)象，粘度迅速上升。如圖1所示成型模內(nèi)固化的變化。

圖1 成型模內(nèi)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象的同時，樹脂的粘度發(fā)生變化。由于這些反應(yīng)是連續(xù)發(fā)生的，所以應(yīng)用了一種簡單的分析方法來分析這一系列發(fā)熱現(xiàn)象的溫度變化和相應(yīng)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(jìn)行二維穩(wěn)態(tài)傳熱計算，然后根據(jù)該結(jié)果進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)計算。

在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)計算時，根據(jù)樹脂的固化發(fā)熱量進(jìn)行了固化度預(yù)測，一般反應(yīng)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(fā)熱量。如圖3所示關(guān)于樹脂溫度與固化度之間關(guān)系的計算和實驗結(jié)果的比較。使用這些預(yù)測公式進(jìn)行粘度分布模擬。

圖3 樹脂的溫度與固化度之間的關(guān)系

圖4 樹脂溫度與粘度之間的關(guān)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(diào)整成型模具的溫度，使樹脂固化。由于中空棱柱內(nèi)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(guān)系的實測值和計算值之間比較。圖中，根據(jù)在上圖確定的成型模具的位置和溫度的關(guān)系，從該溫度計算固化度和粘度的結(jié)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(jù)該結(jié)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(jù)圖6(a)，可知在成型模入口處紫色和藍(lán)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(guān)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(rèn)內(nèi)部狀態(tài)。如圖7所示，該圖的中央部分表示整體狀態(tài)，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(cè)兩處是代表性纖維的體積分?jǐn)?shù)（Vf；Volume of fiber）的值，包括該位置在內(nèi)的所有測量位置的Vf的平均值為61.0%。另外，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和氣泡等明顯內(nèi)部缺陷，可以確認(rèn)品質(zhì)良好。

最后，將試制品切割成條狀進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試。如圖8所示試驗片的載荷-應(yīng)變線圖。由圖可知，本次試制品具有與軋制鋼材SS400相同的強(qiáng)度，而且負(fù)荷與應(yīng)力呈線性關(guān)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(fù)荷-應(yīng)力試驗

4. 結(jié)語

本文介紹了粘度分布模擬在實際拉擠成型中的應(yīng)用，并取得了滿意的結(jié)果。這種粘度分布模擬技術(shù)和拉擠成形技術(shù)是支撐復(fù)合材料零件制造的關(guān)鍵技術(shù)。由于需要輕量化的結(jié)構(gòu)部件很多，所以今后有望在在各種產(chǎn)品上應(yīng)用，同時通過進(jìn)一步技術(shù)提高，將為復(fù)合材料制造的高速化、低成本化做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

• 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