本文對采用單絲束和多絲束兩種纏繞不同的纏繞方式制作的CFRTP管進行壓縮強度評估測試。結果顯示，與單絲束纏繞相比，多絲束纏繞的CFRTP管不易發生彈性屈曲，吸收能量的特性顯著。
1. 前言
熱塑性碳纖維復合材料(CFRTP)，或者叫碳纖維增強熱塑性復合材料，是性能強大卻異常環保的新型材料，同時它也是全世界都在極力研發探索的一種材料，近年來備受關注。與熱固性復合材料(CFRP)相比，從量產性、二次加工性、再循環性、成型時不伴隨化學反應等方面考慮，在汽車領域的應用前景非常廣闊。
CFRP管材一般是采用FW（纖維纏繞）工藝制作，傳統的單絲束纏繞面臨生產效率低等問題。為了提高生產效率和管材的力學性能，開發了一種多絲束同時纏繞工藝，并對兩種方法生產的CFRTP管材進行強度測試評估。
2. 實驗方法
2.1 材料
材料使用將尼龍纖維（LEXTER8500、三菱氣體化學公司）和碳纖維（TR50S-12k、三菱化學公司）混織后半浸漬的混捻紗（1334dtex、Vf:48.7%、卡吉列奈公司），芯模直徑為12mm。
2.2 單絲束FW法管材成型
單絲束FW法管材成型條件如下所示：
裝置：纖維纏繞機（FWM-1500LF，旭化成工程有限公司）
纖維絲束：單根
鋪層：6層
纏繞方向：45°螺旋纏繞
外徑：15mm
內徑：12mm
成型加熱溫度：220~230°C
碳加熱器：Metro電氣工業公司
包裝帶：G105，日本Polymer公司
2.3 多絲束FW法管材成型
多絲束FW管材成型條件如下：
裝置：多絲束纖維纏繞機（MFW48-1200KS，村田機械公司）
纖維絲束：8根
鋪層：6層
纏繞方向：+45°、-45°、+45°、-45°、+45°、+45°
成型速度：60mm/min
輸入電壓：150V
外徑：15mm
內徑：12mm
成型加熱溫度：220~230°C
碳加熱器：Metro電氣工業公司
包裝帶：G105，日本Polymer公司
2.4 壓縮強度測試
針對軸向的強度進行壓縮強度測試，測試條件如下：
裝置：AG-kNXPlus（島津制作所）
試驗管材長度：50mm
試驗管材數量：5根
溫度·濕度：23°C、50%RH
試驗速度：5.0mm/min
3. 實驗結果及分析
3.1 單絲束FW管材壓縮強度測試
如圖1所示單絲束FW纏繞管材的壓縮強度試驗結果。
圖1 單絲束FW纏繞管材的壓縮強度測試
除了3號管的其他四根均在彈性范圍內發生壓曲現象。發生彈性壓曲的試驗管材隨著應變增大，壓縮應力有降低的傾向。另一方面，在彈性范圍內未引起壓曲的試樣3發生連續的塑性壓曲變形，隨著應變增大，壓縮應力逐漸變大。由此可知其具有優異的吸收能量的特性。試驗后的管材如圖2所示。
圖2壓縮強度測試后的單絲束FW管材
發生塑性壓曲的試樣呈現波紋狀變形，負荷延軸向使試樣遭到破壞。另一方面，發生彈性壓曲的試樣局部損傷，負荷集中在損傷處，一邊彎曲一邊被破壞。
在單絲束FW法中，由于在卷繞纖維時產生了交織點，因此應力集中，容易產生壓曲現象。
3.2 多絲束FW管材壓縮強度測試
多絲束FW管材壓縮強度實驗結果如圖3所示。與單絲束FW管材不同，沒發生彈性壓曲現象。在達到最大壓縮應力后，隨著應變變小而變大，壓縮應力有緩慢增加的傾向。
圖3 多絲束FW纏繞管材的壓縮強度測試
圖4 壓縮強度測試后的多絲束FW纏繞管材
4. 結語
本研究的結果如下：
（1）單絲束FW纏繞管材由于存在碳纖維的交織點，因此容易發生彈性壓曲現象。
（2）單絲束FW纏繞管材在發生連續塑性壓曲變形時，顯示出良好的能量吸收特性。
（3）多絲束FW纏繞管材不易發生單行壓曲，碳纖維一邊剝離一邊被壓壞，證明其有優異的能量吸收特性。
5. 參考文獻
Tadashi Uozumi, Akio Ohtani, Asami Nakai, Motohiro Tanigawa, Tatsuhiko Nishida and Takahiro Miura: Journal of Mechanics Engineering and Automation 5 5,435-439(2015)
