臺灣博碩士論文加值系統

本實驗的目的，主要是在高性能高分子材料PEEK中，加入不同含量的SiO2及Al2O3奈米粉粒，測試奈米粉粒對於高分子PEEK的強化作用。添加奈米粉之含量包括 2.5 %、5.0 %、7.5 %、10.0 %和並以純PEEK當對照組作比較。

在製程方面，混粉製程採取濕式混粉的方法，將SiO2及Al2O3奈米粉粒加入酒精之中，接著在超音波震盪下一個小時，減少其團聚現象之後，在加熱攪拌機中一面均勻混合，一面使酒精揮發，在經過混粉過程後，採取高壓融煉加壓成型的方法，在經過多次的試驗，發現材料在真空狀態之下，加熱到440 oC維持溫度一個小時之後冷卻，將會得到機械性質較佳的試片加熱時間過短，會發生尚未均勻溶化的現象，而加熱時間過長，則會發生長時間高溫劣解的現象，而使得機械性質降低。

在機械性質測試方面，發現隨著SiO2及Al2O3奈米粉含量的提高，材料的極限抗拉強度楊氏係數破裂應變方面皆有提升，在硬度方面也有明顯的提高，在熱分析方面發現熔點並沒有改變，而在X-ray繞射及SEM的Mapping觀測之下，猜測奈米粉已經進入了PEEK的分子鍵間以及奈米粉的表面積效應，造成了PEEK材料的強化，如果均勻度能再提升，相信對於材料的強化，會有更顯著的效果。

目錄........................................................................................................................................Ⅰ
表索引....................................................................................................................................Ⅳ
圖索引....................................................................................................................................Ⅴ
謝誌………………………………...……………………………………………………….Ⅷ
論文提要................................................................................................................................Ⅸ第一章 研究的背景與方向...................................................................................................1
1.1 奈米材料簡介................................................................................................................1
1.2 奈米材料基本性質........................................................................................................1
1.2.1 體積效應...........................................................................................................1
1.2.2 量子尺寸效應...................................................................................................2
1.2.3 表面效應...........................................................................................................3
1.2.4 巨觀量子隧道效應...........................................................................................3
1.3 奈米粉末的製備方法....................................................................................................3
1.3.1 機械合金法.......................................................................................................3
1.3.2 蒸發冷凝法.......................................................................................................4
1.3.3 化學氣相法.......................................................................................................4
1.3.4 化學沉澱法.......................................................................................................4
1.3.5 溶膠凝膠法.......................................................................................................5
1.3.6 水熱沉澱法.......................................................................................................5
1.3.7 電解法...............................................................................................................5
1.3.8 溶劑蒸發法.......................................................................................................6
1.4 高分子PEEK材料的特性………................................................................................6
1.5 奈米高分子複合材料特點和應用…………………………........................................7
1.5.1 增加材料的剛性和抗拉強度...........................................................................8
1.5.2 增加耐磨耗性和降低摩擦係數.......................................................................8
1.5.3 材料本身的熱穩定性和防燃性上升...............................................................9
1.5.4 增加材料的阻絕特性......................................................................................9
1.6 本研究的規劃...............................................................................................................9
第二章 研究方法.................................................................................................................11
2.1 實驗材料......................................................................................................................11
2.2 材料製程......................................................................................................................11
2.2.1 PEEK粉末製程..............................................................................................11
2.2.2 混粉製程.........................................................................................................12
2.2.3 模具的設計與處理.........................................................................................12
2.2.4 熱壓製程.........................................................................................................12
2.2.5 脫模過程.........................................................................................................13
2.3 機械性質測試..............................................................................................................13
2.3.1 硬度測試.........................................................................................................13
2.3.2 常溫拉伸測試.................................................................................................13
2.4 微結構觀察與分析………………………………………………………………...….14
2.4.1 掃瞄式電子顯微鏡...........................................................................................14
2.4.2 X-ray…………….………………………………………………..……….…14
2.5 熱分析..........................................................................................................................14
2.5.1 DSC…....…………………………….……………………………………….14
2.5.2 TGA………………………………………………………………………….15
第三章 實驗成果.................................................................................................................16
3.1 材料熱壓製程及結果..................................................................................................16
3.3 機械性質分析………………….…...……………………………………………..…18
3.2.1 硬度測試實驗結果..………………………………………………………….18
3.2.2 室溫拉伸測試實驗結果…..………………………………………………….18
3.3 微結構觀察與分析……………………………………………………………………19
3.3.2 SEM的觀測結果….......................................................................................20
3.3.3 X-ray的觀測結果…………………………………………………………..20
3.4 熱分析………………………………………………………………………………...21
3.4.1 DSC觀測結果................................................................................................21
3.4.2 TGA測量結果………………………………………………………………21
第四章 討論.......................................................................................................................23
4.1 影響PEEK製程因素分析…………………………………...…...…………………23
4.1.1 溫度因素……………………….………………………...…………………...23
4.1.2 壓力因素………………………………………………...…………..………..24
4.1.3 加熱的時間因素………………………………………...……………...…….24
4.1.4 冷卻速率因素………………………………………......…………...………..24
4.1.5 加熱環境因素………………………………………...………………...…….24
4.2 奈米粉粒強化機制………………………..……………...……………………...…..25
4.2.1 表面積效應…………………………………………………………………...25
4.2.2 奈米粉粒進入高分子鏈間的強化效果…………...………………………....26
4.2.3 結晶度影響…………………………………………………………………...26
4.3 機械性質分析………………………………………………………………………..26
4.3.1 極限抗拉強度………………………………………………………………...27
4.3.2 破斷應變量…………………………………………………………………...27
4.3.3 楊氏係數……………………………………………………………………...28
5 結論………………………………………………………...…………………………..29
參考文獻.............................................................................................................................31
表.........................................................................................................................................33
圖.........................................................................................................................................49

表索引

表1.1 銅微粒子粒徑和表面能量的尺度關係.....................................................................33
表1.2 高分子PEEK的基本性質.........................................................................................34
表1.3 高分子PEEK的機械性質.........................................................................................35
表1.4 高分子PEEK的化學性質.........................................................................................36
表1.5 高分子和陶瓷的特性比較.........................................................................................37
表1.6 奈米複材和傳統材料強化效果的比較.....................................................................38
表1.7 奈米複材寶特瓶和傳統材料透氣性比較.................................................................38
表2.1 實驗流程.....................................................................................................................39
表3.1 板狀試片成形步驟.....................................................................................................40
表3.2 純PEEK與添加奈米粉粒複材硬度測試HV值的比較.........................................41
表3.3 第一批添加不同SiO2含量試片的拉伸性質比較表…………………....…………42
表3.4 第二批添加不同SiO2含量試片的拉伸性質比較表………………….…...………42
表3.5 第三批添加不同SiO2含量試片的拉伸性質比較表……………………....………43
表3.6 三批添加不同SiO2含量試片的平均拉伸性質比較表…….…...…………………43
表3.7 第一批添加不同Al2O3含量試片的拉伸性質比較表..............................................44
表3.8 第二批添加不同Al2O3含量試片的拉伸性質比較表..............................................44
表3.9 第三批添加不同Al2O3含量試片的拉伸性質比較表..............................................45
表3.10 三批添加不同Al2O3含量試片的平均拉伸性質比較表........................................45
表3.11 不同含量SiO2奈米粉在X-ray繞射下所得到的1st Peak強度比值....................46
表3.12 不同含量Al2O3奈米粉在X-ray繞射下所得到的1st Peak強度比值……….….46
表3.13 不同含量SiO2 d spacing (Å) 的比較表...............................................................47
表3.14 不同含量Al2O3 d spacing (Å) 的比較表………………………………....…….48

圖索引

圖1.1 PEEK的分子結構式...................................................................................................49
圖1.2 Si3N4奈米粉粒含量對機械性質的影響....................................................................49
圖1.3 SiC奈米粉粒含量對抗磨耗性和摩擦係數的影響…...............................................50
圖1.4 ZrO2奈米粉粒含量對抗磨耗性和摩擦係數的影響….............................................50
圖1.5 Si3N4奈米粉粒含量對抗磨耗性和摩擦係數的影響................................................51
圖1.6 奈米顆粒大小對抗磨耗性和摩擦係數的影響........................................................51
圖1.7 奈米材料的阻燃機制................................................................................................52
圖1.8 奈米薄膜的氣體阻絕性質........................................................................................52
圖2.1 不鏽鋼底板的設計....................................................................................................53
圖2.2 模具的設計................................................................................................................53
圖2.3 拉伸條狀試片的規格................................................................................................54
圖3.1 440 oC時加壓成形的PEEK板材….........................................................................55
圖3.2 壓力過低下成形的PEEK板材................................................................................56
圖3.3 兩段式加工成形的PEEK板材................................................................................57
圖3.4 SiO2添加含量與硬度增加率比較圖........................................................................58
圖3.5 Al2O3添加含量與硬度增加率比較圖.......................................................................58
圖3.6 純PEEK之應力應變圖..............................................................................................59.
圖3.7 添加2.5 wt%含量SiO2奈米粉體之應力應變圖....................................................60
圖3.8 添加5.0 wt%含量SiO2奈米粉體之應力應變圖....................................................61
圖3.9 添加7.5 wt%含量SiO2奈米粉體之應力應變圖....................................................62
圖3.10 添加10.0 wt%含量SiO2奈米粉體之應力應變圖................................................63
圖3.11 SiO2奈米粉粒含量與極限抗拉強度關係圖..........................................................64
圖3.12 SiO2奈米粉粒含量與應變關係圖..........................................................................65
圖3.13 SiO2奈米粉粒含量與揚氏係數關係圖..................................................................66
圖3.14 添加2.5 wt%含量Al2O3奈米粉體之應力應變圖............................................... 67
圖3.15 添加5.0 wt%含量Al2O3奈米粉體之應力應變圖..............................................68
圖3.16 添加7.5 wt%含量Al2O3奈米粉體之應力應變圖..............................................69
圖3.17 添加10.0 wt%含量Al2O3奈米粉體之應力應變圖............................................70.
圖3.18 Al2O3奈米粉粒含量與極限抗拉強度關係圖.......................................................71
圖3.19 Al2O3奈米粉粒含量與破斷應變關係圖...............................................................72
圖3.20 Al2O3奈米粉粒含量與揚氏係數關係圖...............................................................73
圖3.21 添加奈米粉粒的試片SEI圖形............................................................................74
圖3.22 添加奈米粉粒的試片BEI圖形............................................................................74
圖3.23添加2.5 wt% SiO2奈米粉粒1000倍的Mapping圖....... ...................................75
圖3.24添加5.0 wt% SiO2奈米粉粒1000倍的Mapping圖...........................................75
圖3.25添加7.5 wt% SiO2奈米粉粒1000倍的Mapping圖...........................................76
圖3.26添加10.0 wt%SiO2奈米粉粒1000倍的Mapping圖.........................................76
圖3.23添加2.5 wt% SiO2奈米粉粒5000倍的Mapping圖...........................................77
圖3.24添加5.0 wt% SiO2奈米粉粒5000倍的Mapping圖...........................................77
圖3.25添加7.5 wt% SiO2奈米粉粒5000倍的Mapping圖...........................................78
圖3.26添加10.0 wt%SiO2奈米粉粒5000倍的Mapping圖..........................................78
圖3.27添加2.5 wt% Al2O3奈米粉粒1000倍的Mapping圖.........................................79
圖3.28添加5.0 wt% Al2O3奈米粉粒1000倍的Mapping圖.........................................79
圖3.29添加7.5 wt% Al2O3奈米粉粒1000倍的Mapping圖.........................................80
圖3.30添加10.0 wt%Al2O3奈米粉粒1000倍的Mapping圖........................................80
圖3.27添加2.5 wt% Al2O3奈米粉粒5000倍的Mapping圖.........................................81
圖3.28添加5.0 wt% Al2O3奈米粉粒5000倍的Mapping圖.........................................81
圖3.29添加7.5 wt% Al2O3奈米粉粒5000倍的Mapping圖.........................................82
圖3.30添加10.0 wt%Al2O3奈米粉粒5000倍的Mapping圖........................................82
圖3.31 純PEEK的X-ray繞射圖.....................................................................................83
圖3.32 純PEEK和添加不同含量SiO2奈米粉粒的X-ray繞射圖...............................84
圖3.33 純PEEK和添加不同含量Al2O3奈米粉粒的X-ray繞射圖.............................85
圖3.34 純PEEK和添加不同含量SiO2奈米粉粒的DSC分析圖.................................86
圖3.35 純PEEK和添加不同含量Al2O3奈米粉粒的DSC分析圖...............................87
圖3.36 純PEEK和添加含量5wt %奈米粉粒的TGA分析圖......................................88
圖4.1 純PEEK在440 oC製程下持溫四十分鐘之應力應變圖…………...…………..89
圖4.2 純PEEK在440 oC製程下持溫一個小時之應力應變圖…..……...…..……......90
圖4.3 純PEEK在440 oC製程下持溫五個小時之應力應變圖…..……...…......…..…91
圖4.4 純PEEK在440 oC製程下持溫一個小時經過淬火之應力應變圖.......…...…...92

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