近年來(lái)產(chǎn)學(xué)界在利用長(zhǎng)纖維塑料復(fù)合材料(Long fiber reinforced plastics, LFRP)應(yīng)用于產(chǎn)品輕量化之研究，仍然非常盛行。然而，對(duì)于此復(fù)合材料內(nèi)的纖維微結(jié)構(gòu)(包括：纖維排向、纖維長(zhǎng)度、纖維濃度)在射出成型制程中如何變化，以及這些微結(jié)構(gòu)對(duì)射出成品如何定量地影響，目前仍未全盤(pán)了解與掌握。因此過(guò)去五年多來(lái)，淡江大學(xué)化材系團(tuán)隊(duì)特別著眼于纖維微結(jié)構(gòu)特征(microstructure features)與產(chǎn)品巨觀物理特性(physical properties)之研究，希望能找出具體的關(guān)聯(lián)性。

針對(duì)長(zhǎng)纖維─塑料復(fù)合材料之微結(jié)構(gòu)，主要透過(guò)Moldex3D進(jìn)行深入的學(xué)理探索，也應(yīng)用微電腦斷層掃瞄(micro-computerized tomography, micro-CT)及圖像處理分析(后續(xù)稱(chēng)為影像分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果)進(jìn)行實(shí)際成品之微結(jié)構(gòu)特征驗(yàn)證。另一方面，我們也針對(duì)射出成品進(jìn)行機(jī)械特性之拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試，初步已經(jīng)能理解及量化流動(dòng)如何影響纖維微結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而影響產(chǎn)品之翹曲變形，并且進(jìn)一步影響射出成品之機(jī)械特性。具體而言，我們利用一個(gè)復(fù)合型幾何做為研究系統(tǒng)，其內(nèi)部同時(shí)含有三種不同進(jìn)澆型式之 ASTM D638 標(biāo)準(zhǔn)試片，如圖一所示。首先利用Moldex3D軟件，從幾個(gè)不同視角(如圖二所示)觀察翹曲變形，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，之后將仿真分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合，如表一所示。從結(jié)果得知，分析預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

圖一 研究之幾何系統(tǒng): 內(nèi)含有三種不同進(jìn)澆型式之 ASTM D638 之標(biāo)準(zhǔn)試片

圖二 從不同視角去觀察產(chǎn)品翹曲變形

表一 利用仿真分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品翹曲變形量值比較

再者，為了解不同纖維長(zhǎng)度對(duì)射出成品之機(jī)械性質(zhì)的影響，我們對(duì)三種試片透過(guò)萬(wàn)能拉力機(jī)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度之探索，結(jié)果如圖三所示。從中可發(fā)現(xiàn)，同一種試片的拉伸強(qiáng)度特性將隨著纖維長(zhǎng)度增加而增強(qiáng)。以Model I為例，純PP的射出成品，強(qiáng)度約為 20 N/mm2；當(dāng)改用長(zhǎng)纖維材料后，其強(qiáng)度提升到約 140 N/mm2，可見(jiàn)纖維長(zhǎng)度之增加，可有效提升射出成品之拉伸強(qiáng)度。同樣地，從Model II也可發(fā)現(xiàn)類(lèi)似趨勢(shì)，其強(qiáng)度由 20 N/mm2(純PP材料)提升到 120 N/mm2(長(zhǎng)纖維材料)。至于Model III則因?yàn)槔秒p邊入料會(huì)產(chǎn)生縫合線，所以強(qiáng)度提升較不明顯，僅從 20 N/mm2提升到約 40 N/mm2。

若進(jìn)一步比較Model I及 Model II之間的強(qiáng)度差異，則發(fā)現(xiàn)使用含纖維復(fù)合材料時(shí)，Model I的強(qiáng)度都大于Model II，例如：在中纖維材料下，Model I與Model II的強(qiáng)度比為 118 N/mm2比上 105 N/mm2；改為長(zhǎng)纖維復(fù)合材料時(shí)，Model I與Model II的強(qiáng)度比則是 140 N/mm2比上 120 N/mm2。推測(cè)此現(xiàn)象發(fā)生的原因，可能是側(cè)邊入料所造成的入口效應(yīng)，帶來(lái)了較強(qiáng)的纖維排向效應(yīng)所導(dǎo)致。整體而言，巨觀物理特性之模擬分析預(yù)測(cè)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度相符。

圖三 三種試片不同材料之拉伸強(qiáng)度之比較

接下來(lái)我們深入探討前述巨觀物理特性所對(duì)應(yīng)之微觀纖維排向特性，經(jīng)模擬分析與實(shí)驗(yàn)觀察比較(圖四)，可發(fā)現(xiàn)整體纖維排向趨勢(shì)預(yù)測(cè)相當(dāng)一致。此部份更詳細(xì)之內(nèi)容與描述，請(qǐng)參考我們已經(jīng)發(fā)表于 International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (2020/06/30, DOI: 10.1007/s40684-020-00226-2)的論文” Flow-induced Orientations of Fibers and Their Influences on Warpage and Mechanical Property in Injection Fiber Reinforced Plastic (FRP) Parts”。

圖四 Model I 標(biāo)準(zhǔn)試片之纖維排向模擬分析與實(shí)驗(yàn)觀察之表征：(a)靠近澆口區(qū)域(near gate region, NGR)；(b)充填結(jié)束區(qū)域(end of filling region, EFR)

然而，近期我們針對(duì)先前完成的纖維排向模擬分析結(jié)果(沒(méi)有考慮流動(dòng)─纖維耦合作用)與影像分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果仔細(xì)比較，發(fā)現(xiàn)雖然A11及A22纖維排向整體變化趨勢(shì)還算吻合，不過(guò)變化量值仍有差異(如圖四所示)。為何仍此部份仍存有一定差異，是我們一直在思索的問(wèn)題。剛好近期美國(guó)普渡大學(xué)的Dr. Anthony Favaloro1 et al. [1] 提出 IISO 黏度模型，來(lái)推估高分子熔膠流動(dòng)與纖維互相做用影響下的黏度變化；之后再由科盛科技曾煥锠博士與 Favaloro1 [2] 將此IISO model 修正為 Revised IISO model并導(dǎo)入Moldex3D軟件。我們應(yīng)用此新世代IISO 黏度模型，加入考慮流動(dòng)與纖維耦合作用，發(fā)現(xiàn)模擬分析之A11及A22纖維排向與影像分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近，特別是透過(guò)單次實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生三個(gè)不同流場(chǎng)之ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)試片系統(tǒng)(如圖一系統(tǒng))，探討其流動(dòng)與纖維耦合作用如何影響纖維排向，結(jié)果如圖五所示。其中圖五(a) 為Model I 標(biāo)準(zhǔn)試片之纖維排向模擬分析與實(shí)驗(yàn)觀察之比較，從結(jié)果得知，當(dāng)考慮流動(dòng)與纖維耦合作用時(shí)，在靠近流動(dòng)末端 垂直流動(dòng)之纖維排向(A22)將明顯主導(dǎo)。另外，針對(duì)同一實(shí)驗(yàn)并在不同區(qū)域之Model II 標(biāo)準(zhǔn)試片之纖維排向模擬分析與實(shí)驗(yàn)觀察之比較，從結(jié)果也得到驗(yàn)證，如圖五(b)所示。

圖五 當(dāng)考慮及不考慮流動(dòng)與纖維耦合作用時(shí)，纖維排向模擬分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果之比較: (a) Model I at EFR(充填結(jié)束區(qū)域)；(b) Model II at EFR(充填結(jié)束區(qū)域)

整體而言，此次透過(guò)應(yīng)用Moldex3D纖維排向模塊，加上針對(duì)流動(dòng)與纖維耦合作用之考慮，在一體成型復(fù)雜幾何系統(tǒng)內(nèi)，纖維排向差異性極大的A11及A22都能準(zhǔn)確地被預(yù)測(cè)，此等結(jié)果令人非常振奮，也非常高興能分享給產(chǎn)學(xué)界的朋友們。另外，如果對(duì)詳細(xì)結(jié)果有興趣，請(qǐng)參照我們的近期投稿于Polymers 2020, 12, 2274; doi:10.3390/polym12102274之文章，相關(guān)連結(jié)如下：

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Note 1: Anthony Favaloro: Research Scientist at Purdue University, West Lafayette, Indiana, United States

參考文獻(xiàn)

1. Favaloro, A.J.; Tseng, H.C.; Pipes, R.B. A new anisotropic viscous constitutive model or composite molding simulation. Compos. Part A 2018, 115, 112–122.

2. Tseng, H.C.; Favaloro, A.J. The use of informed isotropic constitutive equation to simulate anisotropic rheological behaviors in fiber suspensions. J. Rheol. 2019, 63, 263–274.