臺灣博碩士論文加值系統

為了能有效的減少防護裝甲的Kevlar織物的使用層數，以提高人員的活動性且具備相等的防護性能，本文利用膠體二氧化矽分散在聚乙二醇中，製備剪切增稠流體，並添加氧化石墨烯於其中探討對剪切流體性質的影響。
本研究探討了膠體二氧化矽在不同分子量的聚乙二醇含浸Kevlar KK10 織物的穿刺測試、落重測試、流變測試、撓取測試，其中落重測試採用圓彈頭(9 mm)與尖彈頭(7.62 mm)兩種進行測試，希望測試的結果能應用於子彈的防護上。
實驗結果顯示，在使用PEG200且膠體二氧化矽60 wt%具有較佳的抗穿刺性，比未含浸的織物提升了414 %，在落重測試中，織物經含浸剪切增稠流體後使用圓彈頭測試的吸收能量提升66.87 %；尖彈頭測試的吸收能量提升126.11 %。 且添加氧化石墨烯後，因為影響了剪切增稠現象，除了提升PEG600的抗穿刺性質外，PEG200原先的性質反而下降。

In order to reduce the number of layers of Kevlar fabric effectively and to improve the mobility of personnel, we used colloidal silica dispersed in polyethylene glycol to prepare shear thickening fluid that was used in protective armor with effective protective properties. The addition of graphene oxide was discussed in this paper to investigate its impact on the effect of shear fluid properties.

In this study, we investigated the puncture test, falling weight impact test, rheological test and torsion test of colloidal silica in different molecular weight of polyethylene glycol (PEG) impregnated Kevlar KK10 fabric. The falling weight impact test was carried out by using blunt-nosed bullet (9 mm) and pointed bullet (7.62 mm), and hope the test results can be applied to the anti-bullet protection.

The experimental results showed that the fabric impregnated with PEG molecular weight of 200 and 60 wt% of colloidal silica had better puncture resistance than that of non-impregnated fabric by 414%. In the falling weight impact test with blunt-nosed bullet, the absorption energy of the impregnated fabric was increased by 66.87%; whereas the absorption energy of the impregnated fabric with pointed bullet was increased by 126.11%.

The addition of graphene oxide impacted on the shear thickening phenomenon, and enhanced the anti-puncture property of PEG with molecule weight of 600; however, it decreased that of PEG with molecule weight of 200.

目　　錄
摘　　要 I
Abstract II
目　　錄 III
圖目錄 VI
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2防彈衣 3
1.3流體(Fluid) 5
1.4二氧化矽(Silicon dioxide，SiO2) 8
1.5聚乙二醇(PEG) 9
1.6克維拉纖維(Kevlar®) 10
1.7氧化石墨烯(Graphene oxide) 12
1.8剪切增稠流體文獻回顧 13
1.9研究動機與目的 16
第二章 原理 17
2.1剪切增稠流體原理 17
2.1.1有序-無序理論(Order-disorder theory) 17
2.1.2流體力學聚集理論(Hydrodynamic clustering) 18
2.1.3影響剪切增稠流體因素 19
2.2流變儀 21
2.3 NIJ防彈標準 22
2.4織物防彈原理 24
2.5 EN388穿刺規範 25
第三章 實驗方法 26
3.1實驗材料 26
3.2實驗儀器 28
3.3測試儀器 31
3.4實驗流程 32
3.4.1 剪切增稠流體(STF)製備 33
3.4.2 添加氧化石墨烯於STF 35
3.4.3 STF/Kevlar製備 37
3.5測試分析 39
3.5.1穿刺測試 39
3.5.2 SEM 40
3.5.3流變測試 41
3.5.4熱重分析 42
3.5.5落重測試 43
3.5.6撓曲測試 46
第四章 結果與討論 47
4.1EN388穿刺測試 47
4.2SEM分析 53
4.3流變分析 54
4.4熱重分析 56
4.5落重測試 57
4.6撓曲測試 64
第五章 結論 66
參考文獻 68
 
圖目錄
圖1.1.2 D3O商品應用 2
圖1.2.1不同梭織物的吸收能量性質 4
圖1.3.1黏性層流示意圖 5
圖1.3.2流動曲線型式 6
圖1.3.3剪切增稠流體(a)MythBusters提出的"walk on the water" (b)剪切流體在揚聲器上反應 7
圖1.4.1二氧化矽結構圖 8
圖1.5.1聚乙二醇化學式 9
圖1.6.1Kevalr化學式 10
圖1.6.2微原纖結構 11
圖1.6.3Kevlar防彈衣 11
圖1.7.1氧化石墨烯 12
圖1.8.1織物吸收能量圖 13
圖1.8.2厚度、成本、比表面積對織物的吸收能量圖 13
圖1.8.3 silica-PEG、silica-MWNT-PEG流變測試圖 14
圖1.8.4 Kevlar-STF織物吸收能量圖 15
圖2.1.1.1典型的剪切流體黏度(η)對剪切速率(γ)的曲線圖 18
圖2.1.3.1膠體二氧化矽(650 nm)分散在PEG中， 體積百分率0.62及 0.57的剪切增稠現象 19
圖2.1.3.2顆粒形狀對剪切增稠的影響 20
圖2.1.3.3 不同粒徑大小的65 wt%膠體二氧化矽分散 20
在PEG中的剪切增稠現象 20
圖2.2.1錐板流變儀示意圖 21
圖2.3.1彈道分析測試示意圖 23
圖2.4.1纖維受到衝擊示意圖 24
圖3.4.1.1(右)膠體二氧化矽粒徑分析(左)STF經離心分散 34
圖3.4.1.2 GO/STF經離心分散 36
圖3.4.1.3 含浸後的織物壓吸示意圖 38
圖3.5.1.1 EN388測試機台 39
圖3.5.2.1 Variable Vacuum Scanning Electron Microscope and Energy Dispersive Spectrometer S3000-N 40
圖3.5.3.1 TA Instrument AR200流變儀 41
圖3.5.5.1 落重測試示意圖 43
圖3.5.5.2子彈頭 (左)手槍9 mm(右)步槍7.62 mm 43
圖3.5.5.3衝擊頭 44
圖3.5.5.4 電子秤(左)控制端與顯示器(右)秤台 44
圖3.5.5.5 油土 44
圖3.5.5.5 衝擊測試後油土下陷圖 45
圖3.5.6.1 撓曲測試示意圖 46
圖4.1.1剪切增稠流體含浸後織物 47
圖4.1.2穿刺測試樣品圖 47
圖4.1.3金相顯微鏡(50倍)織物穿刺破壞圖 48
圖4.1.4 STF/Kevlar EN388穿刺結果 50
圖4.1.5 STF/Kevlar EN388提升百分比 50
圖4.1.6 STF-GO/Kevlar EN388穿刺結果 52
圖4.2.1Kevlar未含浸的SEM圖 (左)100倍(下)1000倍 53
圖4.2.2Kevlar含浸過的SEM圖 (左)100倍(下)1000倍 53
圖4.3.1剪切增稠流體viscosity對shear rate圖 54
圖4.3.2 GO-STF viscosity對shear rate圖 55
圖4.4.1 STF熱重分析圖 56
圖4.5.1(上)落重測試圖 (下) 油土下陷深度測量 57
圖4.5.2圓彈頭(9 mm)落重測試吸收能量圖 58
圖4.5.3(上)圓彈頭織物正面破壞圖 59
(下)圓彈頭織物背面破壞圖 59
圖4.5.4圓彈頭(9 mm)落重測試吸收能量圖(添加GO) 60
圖4.5.5 (上)尖彈頭織物正面破壞圖 61
(下)尖彈頭織物背面破壞圖 61
圖4.5.6尖彈頭(7.62 mm)落重測試吸收能量圖 62
圖4.5.7尖彈頭(7.62 mm)落重測試吸收能量圖(添加GO) 63
圖4.6.1織物撓曲測試圖 65

 
表目錄
表1.2.1高性能纖維性質 4
表1.5.1不同分散液製成STF對高密度聚乙烯織物的影響 9
表1.8.1Twaron T717與含浸20% w/w STF彈道測試的比較表 14
表2.3.1NIJ標準類型 22
表2.5.1EN388規範 25
表4.1.1 EN388穿刺結果 49
表4.1.2 添加氧化石墨烯EN388穿刺結果 51
表4.5.1圓彈頭(9 mm)落重測試吸收能量表 58
表4.5.2圓彈頭(9 mm)落重測試吸收能量表(添加GO) 60
表4.5.3尖彈頭(7.62 mm)落重測試吸收能量表 62
表4.5.4尖彈頭(7.62 mm)落重測試吸收能量表(添加GO) 63
表4.6.1織物彎曲角度比較表 64

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