第三章 實驗方法
3.2 複材擠壓成形製作
3.2.1 模具設計
擠壓鑄造需要有金屬模穴可放置預熱後的預形體，及配合機台本身 的射料頭太小，所以必須設計一模具進行碳材的鋁液滲透，設計的概略方 案如圖3.7示。擠壓鑄造時模具的設計須考量:(1)鋁液的填充容量、(2)模具 上下模的密合度、(3)射出力量的傳遞方向、(4)鋁液的方向性凝固和收縮的 補縮、(5)射出逃氣方案(overflow)、(6)頂出pin的佈置、(7)拔模角度的預留 讓脫模容易等。圖3.8為模具設計後的製作圖。圖3.9為加工完成後的模具
。擠壓鑄造成形後的複材試片如圖3.10。
圖3.7 擠壓鑄造模具方案 Al-Si合金
Al-Si合金 預形體
柱塞
壓力
圖3.8 模具設計製
上模 下模
圖3.9 複材成形用模具
上視圖 側視圖 圖3.10 擠壓鑄造後碳/鋁複材 3.2.2. 液相滲透用鋁合金的選用
鋁合金滲入碳材中主要功能是填充高熱導強化材內部的孔隙，並提升 強化材結構。鋁合金選用的考量點包括:
1. 熱傳導係數不能太低，過低將降低複材整體熱效能。
2. 熔解液體流動好，鑄造性佳。
3. 與碳材有較佳的潤濕性。
本研究滲入碳材之鋁合金是選用A356.2合金，組成化學成分如表3.2示
實驗用預形體預熱設備如圖3.11示，加熱爐最高預熱溫度為1200oC，
圖3.11 預形體預熱爐
高熱導材料導熱性非常好，升降溫的速度也非常迅速，預形體的預熱 目的是要防止鋁液滲入複材時因碳材溫度低而帶走鋁液的溫度，造成複材 無法滲透完成。Preform預熱溫度過低，預形體一放入模具中接觸到模具表 面便迅速降溫，溫降過快將會有滲透不完全產生。通常預熱溫度一定不能 低於鋁液熔煉時設定的溫度。
為得知預形體由加熱爐內取出到放入模穴後的降溫狀況，需預先模擬 作業狀況以了解preform溫降的速率，於是將preform接上溫度記錄器及熱 電耦(thermocouple)，裝置如圖3.12。加熱爐內溫度設定為800℃，爐內通 入保護氣體2 L/min，預形體在爐內停留30min後，自爐內取出放入模穴，
得到如圖3.13的溫降曲線。依圖示1D碳纖維、發泡碳、鑽石顆粒三種 preform自預熱爐中取出放入模穴內大約15sec preform會降至650℃以下。
換言之preform從加熱爐內取出放入模穴內、填入鋁液、合模成形需在 15sec內完成，否則preform低於600℃，會吸走鋁液溫度讓鋁液凝固，不易 將鋁液滲入preform中。
圖3.12 溫降量測裝置
圖3.13 溫降曲線
3.3 密度測試
本實驗利用精密天平配合密度量測配件進行真密度的量測。真密度測 量方法是利用阿基米德原理，將試片置於天平內，量測試片之水中重量和 空氣中重量以求得密度。量測的設備示於 圖3.14。
圖3.14 精密天平 真密度的測試方法：浮力法(比重天平法)
在氣相中及液相中秤量試片，分別得質量 ms與 m’s，則試片在液相中 承受之浮力f 為：
f = (ms - m’s)g ……….(13) 由 Archimedies 原理，在密度 ρl 的液相中體積 Vs 的試片承受的浮力 為：
f = Vsρlg………..(14) 由(13)、(14) 得試片體積為：
Vs = (ms – m’s) / ρl………...…(15) 試片的密度 ρs 用下式計算：
ρs = ms / Vs ………..(16) 若補正氣相密度 ρg 所致的浮力，則成 (JISZ – 8807(1962) 固體比重 測定法)
ρs=[ms/(ms-m’s)](ρl-ρg) + ρg………(17) 試片比液體輕時，可加重錘而使試片沈入液相中測定，用下式計算
ρs = [ms/(ms-m’s+Δms)](ρl-ρg) + ρg……….…(18) Δms為附加的重錘重量
3.4 熱膨脹係數測試
熱膨脹係數（Coefficient Thermal Expansion CTE）測試是使用DuPont 2000 型熱機械式分析儀(Thermal Mechanical type Analysis TMA)進行量測 複合材料之熱膨脹係數。其原理是利用TMA量測試片尺寸的線性或體積 的改變，它屬於溫度、時間和力的函數。所以實驗測試時當試片受到熱 和力而產生形變時，輸出的值便會改變，由此便可以得到試片線性或體 積隨溫度和力的變化。圖3.15 為量測設備圖。
圖3.15 TMA量測設備
3.5 強度測試
設備使用AIKOH ENGINEERING CO,LTD製造的強度拉伸機。
圖3.16 拉伸強度試驗機
複材之強度拉伸測試試片是依圖3.17加工尺寸圖，加工出如圖下之尺 寸外型。加工時需考慮複材碳纖的方向，實施鋁基複合材料強度測試。
單位:mm
圖3.17 拉伸試片加工尺寸
3.6 熱傳導率量測
量測方式:以Laser Flash Method之熱傳導量測儀，圖3.18為量測儀器架 構圖。根據ASTM 1461 C71標準量測，由樣品底面打出一雷射光束，再由 另外一面偵測其表面溫度變化曲線與理論模式，和標準樣品比對後，可求 出熱擴散係數(α)及熱傳導係數(K)。熱傳導計算公式如下:
K=α·ρ·Cp………(19)
K：熱傳導係數 α：熱擴散係數 ρ : 體密度( g/cm3) Cp: 比熱( J/g·K)
圖3.18 Laser Flash 儀器構造示意圖
熱擴散的量測方法是使用可替換的xenon的雷射光照到試片的下表面
，同時一個IR的偵測器量測試片上表面的溫度變化，然後經由處理軟體決 定出試片的熱擴散。
比熱：比熱的量測是經由比對欲測試的試片實際溫度變化和一個已知 比熱的參考試片溫度變化所得的。
p
p T
c H⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
∂
= ∂
……… (20) 所以熱傳導係數K可以經由熱擴散係數α和密度ρ和比熱Cp的乘積而得。
第四章 結果與討論
4.1 複材成形參數討論
4.1.1.預形體預熱溫度的影響
複合材料進行擠壓鑄造的過程中，預形體預熱的溫度對複材滲透成形 非常重要。過低的預熱溫度充填時阻力大，一般容易失敗，圖4.1 為未經 預熱之複材試片，鋁液只在碳纖維周圍包覆，未能順利進入碳材內部，通 常需提高預形體的預熱溫度進行含浸才能得到好的滲透性。表4.1為將鋁液 溫度固定在750℃，實驗後碳材預形體的預熱溫度需達750℃以上才能讓鋁 液良好的滲透至複材內部。
圖4.1 預形體未預熱之試片 表4.1 碳材預形體預熱溫度與滲透比較
預熱溫度 滲透情形
650℃ 不佳
700℃ 不佳
750℃ 良好
800℃ 良好
相反的過高的預熱溫度會讓預形體產生氧化而損失重量，甚至破壞預
4.1.2. 鋁液滲透之壓力和速度控制
滲透之壓力和速度快慢會影響滲透預形體之滲透液流速度。太慢的滲 透壓力和速度，使鋁液的動能不足，且在滲透過程凝固太快，造成滲透的 不完全。太快之滲透速度使得預形體內部之氣體來不及排出時，氣體即會 在模穴中被壓縮，氣體體積被壓縮後內部壓力會越來越高，如超出預形體 可承受之壓力即會使預形體變形或崩潰，圖4.3 示為預形體受壓縮變形。
此外太快之滲透速度，滲透液也容易噴出模具外使壓力不容易建立，影響 鋁液含浸進入的量。
圖4.3 壓縮變形後的預形體 4.1.3. 擠壓鑄造擠桿壓力和澆鑄溫度
各種不同的預形體其高溫預熱下仍具有適度的強度時，擠壓過程中澆 鑄溫度較高，較容易將液態金屬擠進預形體內部，但同時也易產生凝固收 縮的孔洞。擠桿壓力的相對大小，太大會造成預形體崩潰；太小又會產生 填充不足而留下孔洞。一般發泡碳的碳材體積分率大都比較低，體積分率 達到約50％左右已經屬於非常高的體積分率了，所以強度較1D碳材低，當 壓力過大和溫度過低時預形體容易受擠壓變形，如圖4.4示。
圖4.4 受擠壓後的發泡碳/鋁複材
實驗條件以改變四種擠壓壓力和五種澆鑄溫度分別針對碳纖維預型體 進行分析研究，以了解製程條件的相關性。由表4.3 得知當鋁液溫度過低 時改變擠壓壓力對鑄件健全性無直接的影響。鋁液溫度設定高低的影響，
由表中示，低於700oC時不易將鋁液滲入碳材中，較好的成形條件須提高 至800oC左右方可得良好及穩定的成形複材。
表4.3 擠壓壓力與鋁液溫度對鑄件之影響 鋁液溫度（℃）
擠壓壓力（Kg/㎝2）
70 100 120 140
650
× × × ×
700
× × × ×
750
× × ○ ○
800
○ ○ ○ ○
850
○ ○ ○ ○
○ ：滲透良好 ×：滲透不良或預形體變形
4.1.4. 複材成形缺陷分析
4.2 碳/鋁複材組織分析
4.2.1 1D 碳纖/鋁複合材料(1D Carbon fiber/Al composites)
將1-D碳纖預型體利用擠壓鑄造法，所製得之複合材料試片如圖4.5所 示，試片大小100x80x10 mm，觀察方向為垂直碳纖維方向及碳纖橫剖方向
。此款碳材是由多層碳纖結合，層與層碳纖的方向成垂直排列壓製而成。
圖4.5 1D/Al碳纖複材
由圖4.6複材橫切及碳纖方向組織照片可以觀察到，白色部份為A356 鋁合金，灰黑色為碳纖維。複合材料碳纖維分布呈現一束一束狀，纖維束 與束之間的間距大約10~20μm左右。每束纖維內部的纖維密度相當高，纖 維與纖維之間幾乎都彼此鍵結，如此可減少Al及碳纖維的界面，形成暢通 的快速導熱通道。
圖4.6 1D 複材橫切及碳纖方向組織觀察
200μm
此預形體碳纖體積分率屬高體積分率。在液相滲透時預形體高溫預熱 後有良好強度及可耐得住鋁液高速衝擊，方可在成形時預形體外形不會潰 散，再加上熱散失不過快，鋁液受壓力後會順著通道去填補剩餘空隙。由 較高倍率的圖4.7觀察可發現，即使是在一束碳纖維的內部，鋁液仍可順利 充填進去，但組織中仍可能有細小孔隙存在。另照片中圓形碳纖邊緣之非 圓形狀灰黑色組織，為碳纖鍵結的黏結劑及緻密化後經石墨化的碳材，由 於一束碳纖維彼此間的鍵結，因此在低倍率觀察時，容易誤以為鋁液無法 滲透進入。圖中碳纖橫切面的組織照片可看到碳纖大致都維持圓形狀，表 示碳纖未被氧化所侵蝕。如碳纖維預熱溫度過高，氧化損耗後的碳纖則會 呈現如圖4.8所示之橢圓狀。
圖4.7 1D 碳纖/鋁複材鋁液滲透後組織
圖4.8 1D碳纖/鋁複材過度氧化的碳纖
20μm
20μm
4.2.2 發泡碳/鋁複合材料(Carbon foam/Al composites )
發泡碳/鋁複合材料之液相滲透後的實驗結果，從圖4.9複材中可以很 明顯看出來發泡碳/鋁複材之鋁合金進入預形體內部的情況良好，複材的試 片大小100x80x10 mm，發泡碳的滲透情形比1D碳纖維預形體好，主要是 發泡碳的體積分率較1D碳纖維低的原因(ρ=0.3~0.5 g/cm3)，另一方面發泡 碳的孔隙較大且彼此連通，亦有助於鋁液的滲透。即使高體積分率(50％左 右)的carbon foam(ρ=1.0 g/cm3)，仍然可以滲透完全。
圖4.9 發泡碳/鋁複材
發泡碳/鋁複材液相滲透不均勻或不足的原因非常多，但最基本且是 最關鍵的問題在於每一發泡孔洞是否連通；如果孔洞無法適度連通，試再 多的成形條件也枉然。發泡碳充填鋁液後之複材微結構如圖4.10左所示，
發泡碳/鋁複材液相滲透不均勻或不足的原因非常多，但最基本且是 最關鍵的問題在於每一發泡孔洞是否連通；如果孔洞無法適度連通，試再 多的成形條件也枉然。發泡碳充填鋁液後之複材微結構如圖4.10左所示，