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研究生: 張皓翔
Chang, Hao-Hsiang
論文名稱: 奈米碳管及孔距對碳纖維/樹脂複合材料機械性質之影響暨修補系統黏著劑之研究
The Effect of CNT and Hole Distance on Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites and Research of Patch System Adhesive
指導教授: 葉銘泉
Yip, Ming-Chuen
口試委員: 葉銘泉
方維倫
葉維磬
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 113
中文關鍵詞: 奈米碳管機械疲勞雙孔修補複合材料
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  • 本篇論文將碳纖維含浸混有不同含量奈米碳管的環氧樹脂進行疊層,製造出奈米碳管/碳纖維/環氧樹脂複合材料積層板試片,並對製程參數、模具以及材料配方進行研究,其結果確實可以增加製程效率,並且減少資源浪費達到絕佳的環保效益。
    為了探討機械性質的效應,本文對試片進行不同孔距的雙孔洞加工,並且以不同之奈米碳管含量為變數,測量其靜態及動態機械強度的變化。實驗發現奈米碳管在靜態拉伸部分補強有限,而動態拉伸疲勞測試中,對未鑽孔以及鑽雙孔之試片都有絕佳的補強效應,而此補強效應會隨著鑽雙孔以及雙孔孔距的接近而下降,因為應力集中效應會使得材料的微小不均勻度及微小團聚被放大。但奈米碳管補強效應仍是顯而易見的。
    此外,討論修補系統,使用自行研製調配黏著劑以及修補片對試片進行疲勞裂縫的修補。在實驗所設計黏著劑、修補片以及被修補試片同質性極高的前提下,得到了明顯的修補效應。
    最後,以高解析單眼相機與SEM對破壞面進行拍攝,證實了奈米碳管對於碳纖維/樹脂介面的補強效應,並且此效應在介面脫層主導的動態疲勞測試中即發揮了極佳的作用。


    第一章 前言 1 第二章 文獻回顧 3 2-1 複合材料 3 2-2 奈米碳管(Carbon nanotube,CNT) 3 2-2.1雙壁及多壁奈米碳管以滾輪含浸法(Drumwinder Technique)對材料機械性質的影響 4 2-2.2 添加奈米碳管對材料靜態機械性質的影響 5 2-2.3 混和不同種類之奈米碳管並且以噴塗法(Spray Technology)加入對材料靜態機械性質的影響 6 2-2.4 奈米碳管以依附製程(Coating process)加入對於碳纖維靜態機械性質的影響 7 2-2.5 奈米碳管以真空輔助樹脂轉注成型法(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding ,VARTM)加入對材料靜態機械性質的影響 7 2-2.6 基材對奈米碳管複合材料性質的影響 7 2-2.7 分散劑對奈米碳管複合材料性質的影響 8 2-2.8奈米碳管表面改質對奈米碳管複合材料性質的影響 8 2-3 疲勞破壞的介紹 9 2-3.1 複合材料的疲勞破壞模式 9 2-3.2疲勞壽命曲線(S-Nf curve) 10 2-3.3疲勞累積效應 11 2-3.4 複合材料在不同疊層方式下的疲勞破壞模式 11 2-3.5 複合材料在不同疊層比例下的疲勞破壞模式 12 2-3.6 複合材料加入奈米碳管對層間堅韌性影響 13 2-4 鑽孔方式的介紹與孔洞品質比較 13 2-4.1 鑽孔對於複合材料機械性質的影響 15 2-5 修補系統的介紹 17 2-5.1 各種修補方法與優劣比較 17 2-5.2 黏附式複合材料修補片修補法破壞模式 19 2-5.3 修補片材料的選用 19 2-5.4 決定修補與否的關鍵 20 2-5.5 修補之後的破壞追蹤 21 2-5-6 業界修補成功實例 21 2-6 雙孔及扭轉疲勞對於複合材料性質的影響 22 第三章 實驗內容及程序 23 3-1實驗儀器 23 3-2 實驗材料 26 3-3 實驗流程 26 3-3.1奈米碳管/碳纖維/環氧樹脂複合材料試片的製備與改良 27 3-3.2靜態拉伸強度測試 29 3-3.3拉伸疲勞強度測試 29 3-3.4修補系統黏著劑研究 30 3-3.5破壞面觀察 30 3-4實驗測試方法 30 3-4.1靜態拉伸測試 30 3-4.2軸向拉伸疲勞試驗 31 3-4.3孔洞製造 31 3-4.4修補系統與其黏著劑研究 32 3-4.5破壞斷面觀察 32 第四章 結果與討論 33 4-1製程改良部分 33 4-1.1奈米碳管/環氧樹脂溶液製備 33 4-1.2碳纖維編織布含浸 34 4-1.3熱壓成型 35 4-2靜態拉伸測試結果 35 4-2.1鑽孔對於靜態拉伸強度的影響 36 4-2.2奈米碳管對靜態拉伸強度的影響 36 4-2.3奈米碳管之均勻度對複合材料靜態機械性質的影響 37 4-2.4奈米碳管之分散度對複合材料靜態機械性質的影響 38 4-2.5靜態拉伸測試小結-決定性兩大因素以及討論 39 4-3動態拉伸疲勞測試結果 40 4-3.1鑽孔對拉伸疲勞強度的影響 42 4-3.2奈米碳管對拉伸疲勞強度的影響 42 4-3.3鑽孔對於奈米碳管補強效應的影響 43 4-4修補系統黏著劑研究 44 4-4.1修補系統拉伸疲勞測試結果 45 4-4.2修補系統的修補效應 45 4-5破壞斷面顯影 46 4-5.1靜態拉伸測試的破壞模式-纖維破壞主導 46 4-5.2拉伸疲勞測試破壞模式-脫層破壞主導 47 4-5.3雙孔洞對於破壞模式的影響 48 4-5.4奈米碳管對於破壞模式的影響 48 第五章 結論 51 參考文獻 55 附表 61 附圖 65 表目錄 表4-1 61 表4-2 61 表4-3 61 表4-4 62 表4-5 62 表4-6 62 表4-7 63 表4-8 63 表4-9 63 表4-10 64 圖目錄 圖2-1奈米碳管示意圖 65 圖2-2滾輪含浸法製程情形[1] 65 圖2-3 特殊形狀之奈米碳管[2] 66 圖2-4奈米碳管以獨立式噴塗在碳纖維表面後纖維 66 表面情形(細微白點即為奈米碳管)[3] 66 圖2-5 以依附製程在碳纖維上附著奈米碳管後的情形[4] 67 圖2-6複合材料積層板的破壞模式[15] 67 圖2-7 不同疲勞周期數下的斷面顯影[17] 68 圖2-8 纖維破壞情形示意圖[18] 68 圖2-9 奈米碳管在複合材料中的結合情形示意圖[19] 69 圖2-10 奈米碳管加入複合材料前後的外觀比較圖[19] 69 圖2-11 KTH鑽孔法示意圖[20] 70 圖2-12 修補方式比較圖[31]:(a)栓附式 (b)黏附式 71 圖2-13 澳洲航太業對於戰鬥機機翼的修補方案[31] 72 圖3-1 Instron-1322型動態萬能試驗機 73 圖 3-2 熱壓機 74 圖 3-3 熱烘箱 74 圖 3-5 電子天秤 75 圖3-6 場發射掃描式電子顯微鏡 75 圖3-7 鑽床 76 圖3-8脫泡攪拌機 76 圖3-9 實驗流程圖 77 圖3-10奈米碳管與樹脂的預攪拌過程 78 圖3-11容器置入脫泡攪拌機預備 78 圖3-12碳纖維織布與離型布之含浸預備 79 圖3-13塗佈過後之碳纖維織布 79 圖3-14經過烘箱烘烤後的碳纖維織布 80 圖3-15疊層過後之碳纖維織布與加大之模框 80 圖3-16 熱壓行程圖 81 圖3-17 雙孔孔邊緣應力集中疊加情形 [13] 81 圖3-18 試片尺寸 82 圖3-19 修補片尺寸 82 圖3-20 碳纖維/環氧樹脂試片之碳纖維排列情形(隨身硬碟為比例對照用) 83 圖3-21未貼夾持片之試片 83 圖3-22已貼夾持片之試片 84 圖3-23 試片拉伸實驗情形 84 圖4-1以塑膠刷塗佈情形 85 圖4-2改良型加大熱壓模框 86 圖4-3靜態拉伸結果 87 圖4-4拉伸疲勞結果-無鑽孔奈米碳管含量0wt%及1wt% 87 圖4-5拉伸疲勞結果-雙孔孔距10mm奈米碳管含量0wt%及1wt% 88 圖4-6拉伸疲勞結果-雙孔孔距6mm奈米碳管含量0wt%及1wt% 88 圖4-7拉伸疲勞結果-雙孔孔距6mm奈米碳管含量1wt%及其修補 89 圖4-8拉伸疲勞結果總覽-僅不包含修補 89 圖4-9拉伸疲勞結果總覽 90 圖4-10無奈米碳管試片靜態拉伸斷面:(a)總覽 (b)無孔 (c)孔距10mm (d)孔距6mm 91 圖4-11奈米碳管含量0.5wt%試片之靜態拉伸斷面:(a)總覽 (b)無孔 (c)孔距10mm (d)孔距6mm 92 圖4-12奈米碳管含量1wt%試片之靜態拉伸斷面:(a)總覽 (b)無孔 (c)孔距10mm (d)孔距6mm 93 圖4-13無奈米碳管試片之拉伸疲勞斷面:(a)總覽 (b)應力等級90% (c) 應力等級85% (d) 應力等級80% 94 圖4-14無奈米碳管孔距10mm試片之拉伸疲勞斷面:(a)總覽 (b)應力等級90% (c) 應力等級75% (d) 應力等級60% 95 圖4-15無奈米碳管孔距6mm試片之拉伸疲勞斷面:(a)總覽 (b)應力等級80% (c) 應力等級70% (d) 應力等級60% 96 圖4-16奈米碳管含量1wt%試片之拉伸疲勞斷面:(a)總覽 (b)應力等級90% (c) 應力等級85% (d) 應力等級80% 97 圖4-17奈米碳管含量1wt%孔距10mm試片之拉伸疲勞斷面:(a)總覽 (b)應力等級85% (c) 應力等級75% (d) 應力等級65% 98 圖4-18奈米碳管含量1wt%孔距6mm試片之拉伸疲勞斷面:(a)總覽 (b)應力等級80% (c) 應力等級70% (d) 應力等級60% 99 圖4-19拉伸疲勞斷面-修補-奈米碳管1wt%孔距6mm應力等級70%及60% 100 圖4-20拉伸疲勞斷面特寫-修補-奈米碳管1wt%孔距6mm應力等級70% 100 圖4-21疲勞破壞模式-脫層-1(無奈米碳管孔距6mm應力等級70%) 101 圖4-22疲勞破壞模式-脫層-2(無奈米碳管無孔應力等級80%) 101 圖4-23孔邊靜態拉伸破壞模式之一-脫層(無碳管孔距6mm應力等級70%) 102 圖4-24奈米碳管分布情形-1(奈米碳管0.5wt%孔距10mm) 103 圖4-25奈米碳管分布情形-2(奈米碳管0.5wt%孔距10mm) 103 圖4-26奈米碳管分布情形-3(奈米碳管1wt%孔距6mm) 104 圖4-27黏附在纖維上之奈米碳管(奈米碳管1wt%孔距6mm) 104 圖4-28奈米碳管未加入之纖維/樹脂介面-1(奈米碳管0wt%無孔) 105 圖4-29奈米碳管未加入之纖維/樹脂介面-2(奈米碳管0wt%孔距6mm) 105 圖4-30奈米碳管未加入之纖維/樹脂介面-3(奈米碳管0wt%孔距6mm) 106 圖4-31奈米碳管未加入之纖維/樹脂介面-4(奈米碳管0wt%孔距6mm) 106 圖4-32奈米碳管未加入之纖維/樹脂介面-5(奈米碳管0wt%孔距6mm) 107 圖4-33奈米碳管未加入之纖維/樹脂介面-6(奈米碳管0wt%無孔) 107 圖4-34奈米碳管加入後之纖維/樹脂介面-1(奈米碳管1wt%無孔) 108 圖4-35奈米碳管加入後之纖維/樹脂介面-2(奈米碳管1wt%無孔) 108 圖4-36奈米碳管加入後之纖維/樹脂介面-3(奈米碳管1wt%孔距6mm) 109 圖4-37奈米碳管加入後之纖維/樹脂介面-4(奈米碳管1wt%孔距6mm) 109 圖4-38奈米碳管加入後之纖維/樹脂介面-5(奈米碳管1wt%無孔) 110 圖4-39奈米碳管加入後之纖維/樹脂介面-6(奈米碳管1wt%孔距10mm) 110 圖4-40奈米碳管未加入之樹脂破壞斷面-1(奈米碳管0wt%無孔) 111 圖4-41奈米碳管未加入之樹脂破壞斷面-2(奈米碳管0wt%無孔) 111 圖4-42奈米碳管未加入之樹脂破壞斷面-3(奈米碳管0wt%無孔) 112 圖4-43奈米碳管加入後之樹脂破壞斷面-1(奈米碳管1wt%孔距6mm) 112 圖4-44奈米碳管加入後之樹脂破壞斷面-2(奈米碳管1wt%孔距6mm) 113

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