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研究生:王士豪
研究生(外文):Sue-Hao Wang
論文名稱:以氣相成長碳纖維製作碳/碳複合材料及其物性之探討
論文名稱(外文):The Physical Property Analysis of Vapor-Grown Carbon Fiber Reinforced Phenolic Resin Carbon/Carbon Composite
指導教授:柯澤豪柯澤豪引用關係
指導教授(外文):Tse-Hao Ko
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:材料科學所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:129
中文關鍵詞:碳/碳複合材料石墨氣相成長碳纖維
外文關鍵詞:vggfvgcfcarbongraphitize
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摘 要
本論文是以2500℃處理之氣相成長石墨纖維(Vapor-Grown Graphitize Fiber, VGGF)及2D編織之碳纖維布來補強酚醛樹酯基材,需經一系列的熟化、熱壓成型、穩定化、碳化和石墨化處理後,製成碳/碳複合材料。並針對兩種不同VGGF的含量及添加六塊碳纖維布,在不同溫度處理的裂解情形,進行物性、電熱傳導性及微結構分析。
由基本物性方面來看,由於基材和補強材之間含浸的問題,導致分布不均勻其收縮率開放性空孔率重量損失及密度,並未有多大的改善。而添加碳纖維布後亦無太大變化。
在機械強度方面,由於VGGF的高強度性質和高纖維百分比所導致的含浸不全及空孔率之間的調和,使得其發揮補強的效果,並未如我們所預期,但仍以纖維百分比為10.0wt%為最佳,在2500℃時與純樹酯的撓曲強度來比較的話,其增加率為222%。而加入六塊碳纖維布後,確實發揮的其補強效果,由於六層布的補強效果,其破斷時呈現多層次破斷,為一擬塑性破壞,使得其強度改善率與純樹酯在2500℃比較為185.4%。
在微結構分析方面,由XRD及RAMAN中發現VGGF催化整體複合材料石墨化的效果,在Lc、La及石墨化度方面均有一定程度的成長,就2500℃而言,以純樹酯及10%VGGF的複材來比較,其Lc、石墨化度及La改善率分別為59.7%、28.2%及35.4%。碳纖維布也發揮了其催化石墨化的特性,其Lc的改善率為88.9%。
在碳/碳複材的電、熱傳導性質方面,VGGF的高電、熱傳性有助於碳/碳複合材料導電網結構的完整,因此明顯的改善了其電熱傳導性,以純樹酯和加入10%VGGF的複材而言,在2500℃時,其DC電阻率、片電阻率及熱傳導係數值的改善率分別為84.05%、96.36%、205.093%。另一方面,加入碳纖維布在電傳導性方面,若以處理至2500℃的純樹酯和R5V來作比較,由於碳纖維布與VGGF與基材在含浸上並不能充分達到完全含浸,致使空孔、裂縫變多,阻礙電子傳遞,改善率為54.18%,電阻值之改善不如第一階段好。


Abstract
Carbon/Carbon composites were prepared from vapor-grown graphitize fiber (VGGF), 2D carbon fiber fabric and resol-type phenol-formaldehyde resin. The carbon/carbon composites were heat-treated at 230℃, 600℃, 1000℃, 1800℃ and 2500℃, respectively. The effect of pyrolysis and different weight percent of VGGF would impact on microstructure, physical properties, and electric-thermal conductivity of the composites during the heat-treatment process was studied.
We found that the shrinkage of composites and the weight lost of composites having some improvement during pyrolysis in the base physical properties. The density and open pore were also decreasing. After compounding with carbon fiber felt, the composites did not have obvious changes in these tests.
Strength test shows that the quantities of composites strength increase with exist of VGGF. We found that composites have a large increase (222%) in flexural strength at 2500℃ because of VGGF high strength and have a substantial potential as a reinforcement. After compounding with six carbon fiber felt, a large increase (185.4%) in flexural strength at 2500℃because of reinforcement of carbon fiber fabric.
DC resistivity and sheet resistivity analysis shows that an increase in electric conductivity with an increase in fiber volume fraction. Thermal conductivity analysis shows that increase conductivity with increase of VGGF.Compare with resin.the improve percentage of thermal conductivity is 205.093%.In electric, after compounding with carbon fiber fabric, the properties have an obvious improvement with pure resin.As the VGGF increasing, it will make the composites graphitized and result from the Lc and La of composites will also increase.


目 錄
摘 要I
AbstractIII
目 錄IV
圖 目 錄IX
表 目 錄XVI
第一章 前言1
第二章 理論依據與文獻回顧5
2.1 碳/碳複合材料5
2.1.1 碳/碳複合材料的製造方式5
2.1.2碳/碳複合材料結構與碳化、石墨化的關係6
2.2酚醛樹酯的選用7
2.3補強纖維9
2.3.1碳纖維的種類及基本構造9
2.3.2 氣相成長碳纖維(Vapor-Grown Carbon Fiber, VGCF)10
2.3.2.1氣相成長碳纖維的發展歷史10
2.3.2.2氣相成長碳纖維的性質、生長機制與結構10
2.3.3 碳纖維布17
第三章 實驗20
3.1實驗流程圖20
3.2材料介紹22
3.3 實驗儀器22
3.4實驗步驟23
3.4.1 第一階段實驗部分23
3.4.2 第二階段實驗部分25
3.5 實驗測試說明29
3.5.1 長度收縮率29
3.5.2 重量損失29
3.5.3 密度測試30
3.5.4 開放性空孔率測定30
3.5.5 碳/碳複合材料撓曲強度測試30
3.5.6 元素分析(EA)31
3.5.7 X射線繞射分析(XRD)31
3.5.8 紅外線光譜分析(FTIR)32
3.5.9 拉曼光譜(RAMAN)32
3.5.10 熱分析(TGA、DTA)33
3.5.11 掃瞄式電子顯微鏡(SEM)之觀察33
3.5.12 D C電阻量測33
3.5.13 片電阻量測34
3.5.14 熱傳導係數量測34
第四章 結果與討論36
4.1第一階段:經石墨化處理之氣相成長碳纖維補強酚醛樹酯36
4.1.1 收縮率36
4.1.2 重量損失率38
4.1.3 密度39
4.1.4開放性空孔率42
4.1.5 XRD繞射分析44
4.1.6碳/碳複合材料撓曲測試及SEM破斷面分析48
4.1.7 元素分析56
4.1.8 D C電阻率量測61
4.1.9 片電阻率量測64
4.1.10 拉曼光譜分析65
4.1.11紅外線光譜分析73
4.1.12熱分析(TGA)77
4.1.13 熱傳導係數量測78
4.2第二階段:以氣相成長石墨纖維及碳纖維布補強酚醛樹酯81
4.2.1 收縮率81
4.2.2 重量損失率83
4.2.3開放性空孔率85
4.2.4 密度87
4.2.5 XRD繞射分析88
4.2.6碳/碳複合材料撓曲測試及SEM破斷面分析92
4.2.7 元素分析100
4.2.8 D C電阻率量測104
4.2.9 片電阻率量測107
4.2.10 紅外線光譜分析108
4.2.11熱分析(TGA)112
第五章 結論114
參 考 文 獻117
附 錄120
致 謝128
作者簡介130


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