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低成本·高速成型——碳纤维复合材料（CFRP）研究新动向

文章来源：新材料在线更新时间：2022-11-28 15:52:56

碳纤维增强塑料（CFRP）是一种真正的高科技材料。它凭借着能够使金属钢和铝相形见绌的优异特性，不断开拓新的应用领域，并且在许多领域已经成为不可或缺的重要组成。但是存在材料和成型成本高、成型时间长等问题。

在本研究中，将广泛应用于玻璃纤维增强塑料（GFRP）的拉挤成型方法应用于CFRP的成型，以实现低成本和快速成型的目的。拉挤成型是一种连续制造复合材料构件的工艺方法，可用来制造恒定截面的构件。其工艺流程是先将碳纤维在树脂中浸润，然后使其在牵引设备的作用下通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的复合材料。

为了通过最少试制次数提取出最佳条件，本研究针对成型模具中的数值粘度分布进行了两次模拟试制，并成功完成CFRP棱柱管的拉挤成型。

1. 前言

近年来，随着CFRP开始大规模应用于飞机和汽车领域，由于规模效应的确使价格比以前下降了不少，但仍然有限。另一方面，虽然拉挤成型只能生产线形型材，无法构造复杂形状的结构件，但GFRP的拉挤成型是成本最低的复合材料的成型方法之一，可用于波形板等的成形。与传统的成型方法相比，如果采用拉挤成型可以实现低成本生产CFRP梁的话，其应用将会进一步扩大。

一般来说，碳纤维（CF）的直径为5～7μm，玻璃纤维（GF）的直径为10～24μm，碳纤维比玻璃纤维更细，而且将阻燃剂添加到热固性树脂中以赋予阻燃性时，会造成树脂粘度上升，因此通常难以使CF充分浸渍到树脂中。为了实现浸渍，避免气泡、剥落，需要充分控制成型模具中树脂的粘度特性。在GFRP中，迄今为止，通过反复多次检查各种条件的成型试验，对条件进行了优化。本文介绍了通过对树脂粘度分布进行模拟，归纳出CFRP拉挤成型的最佳条件。

2. 粘度分布模拟

2.1 热固性树脂的拉挤成型

拉拔成形法是将浸渍有树脂的纤维导入加热成型模内，连续成型纵向等截面的梁状材料的方法。在这次的模拟试制中，使用热固性树脂作为树脂。热固性树脂在固化前表现出复杂的粘度变化，当加热时粘度降低，然后随着固化的进展而发生凝胶化现象，粘度迅速上升。如图1所示成型模内固化的变化。

图1 成型模内的固化过程

2.2 计算过程

计算流程如图2所示。如果对未固化的热固性树脂赋予一定的温度，则在通过化学反应产生发热现象的同时，树脂的粘度发生变化。由于这些反应是连续发生的，所以应用了一种简单的分析方法来分析这一系列发热现象的温度变化和相应的粘度变化。

图2 计算流程图

首先，考虑成型模中的树脂和纤维的混合物、成型模具和外部空气，进行二维稳态传热计算，然后根据该结果进行化学反应计算。

在进行化学反应计算时，根据树脂的固化发热量进行了固化度预测，一般反应式使用Kamal式。此外，通过差示扫描量热仪（DSC；Differential scanning calorimetry）测量固化发热量。如图3所示关于树脂温度与固化度之间关系的计算和实验结果的比较。使用这些预测公式进行粘度分布模拟。

图3 树脂的温度与固化度之间的关系

图4 树脂温度与粘度之间的关系

3. 验证试验

本次试制使用外形为50mm，厚度为4mm的中空棱柱状可拉挤成型的模具。在拉挤成型中，用加热器调整成型模具的温度，使树脂固化。由于中空棱柱内部没有加热器，所以，如何保持厚度方向的温度均匀性是一个课题。如图5所示成型模具的位置与温度、固化度和粘度关系的实测值和计算值之间比较。图中，根据在上图确定的成型模具的位置和温度的关系，从该温度计算固化度和粘度的结果如中图和下图所示。由图可知，实测值和计算值非常吻合。根据该结果计算出的最佳条件作为轮廓图如图6所示。图6（a）表示温度分布，图6（b）表示固化度分布。根据图6(a)，可知在成型模入口处紫色和蓝色的分界线倾斜，厚度方向的温度分布不均匀。另一方面，在对固化度有重要影响的成型模具的出口处，红色和橙色的边界更接近垂直，厚度方向的温度分布变得均匀。反映到这一点，即使在图6(b)中，颜色的边界也几乎垂直，几乎看不到固化度和厚度方向的分布，因此可以算出良好的条件。

图5 成型模位置与温度、固化度及粘度之间的关系

图6 最佳条件分布图

将按照以上最佳条件试制的中空棱柱状成型品延任意截面切断、研磨，确认内部状态。如图7所示，该图的中央部分表示整体状态，周围各图是各部分的放大图。中间黑色部分是研磨是埋入的树脂，四周的白色是成型品。在该图的右侧两处是代表性纤维的体积分数（Vf；Volume of fiber）的值，包括该位置在内的所有测量位置的Vf的平均值为61.0%。另外，没有发现裂纹和气泡等明显内部缺陷，可以确认品质良好。

最后，将试制品切割成条状进行拉伸强度测试。如图8所示试验片的载荷-应变线图。由图可知，本次试制品具有与轧制钢材SS400相同的强度，而且负荷与应力呈线性关系，未观察到树脂破损的征兆。

图7 中空棱柱成型平的断面

图8 负荷-应力试验

4. 结语

本文介绍了粘度分布模拟在实际拉挤成型中的应用，并取得了满意的结果。这种粘度分布模拟技术和拉挤成形技术是支撑复合材料零件制造的关键技术。由于需要轻量化的结构部件很多，所以今后有望在在各种产品上应用，同时通过进一步技术提高，将为复合材料制造的高速化、低成本化做出贡献。

参考文献