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研究生:林聖智
研究生(外文):S. Z. Lin
論文名稱:碳纖維補強複合材料電氣性質與拉伸性質之研究
論文名稱(外文):A Study on the Electrical and Tensile Properties of Carbon Fiber Reinforced Composites
指導教授:鄭國彬鄭國彬引用關係鄧道興
口試委員:鄭大偉邱顯堂李俊毅
口試日期:2005-06-22
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:有機高分子研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:126
中文關鍵詞:聚丙烯熱塑性橡膠碳纖維導電性複合材料體積電阻係數電磁波屏蔽效益
外文關鍵詞:Polypropylene (PP)Thermoplastic Rubber (TPR)Carbon Fiber (CF)Conductive CompositesVolume ResistivityElectromagnetic Shielding Effectiveness
相關次數:
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由於市售之高分子材料並未具有導電與電磁波屏蔽效益功能。有鑑於此,本文將發展一導電性複合材料,以針對電磁波屏蔽效益之應用材料。故本文係使用高分子混摻法將碳纖維依照不同之含量添加到不同之高分子基材(PP、TPR、PP/TPR)內,經由雙螺桿捏合機,將碳纖維均勻混煉在不同之高分子基材內,經射出成型機製成導電性複合材料,以探討其體積電阻係數、電磁波屏蔽效益等電氣性質及拉伸性質及其破損行為。
本實驗採用向量網路分析儀(Vector Network Analyzer)搭配同軸夾具以評估電磁波遮蔽值,所規範的電磁波量測頻率範圍設定在50MHz-3GHz,經測試結果顯示PP/CF、TPR/CF及PP/TPR/CF導電性複合材料在厚度為20mm時,頻率為144~3000MHz下之電磁吸收損失均可達40~60dB。拉伸測試方面,添加碳纖維對PP具有補強效果,其最大拉伸強度可達47MPa,較純PP之最大拉伸強度可提升約47.56%。而對TPR與PP/TPR則是呈現下降之現象。較純TPR與PP/TPR之最大拉伸強度約下降約30.67%與20.55%。
本文經過SPSS PC+統計分析軟體之逐步回歸分析法求得其數學模型,並以此數學模型可推論在不同厚度、入射頻率、碳纖維重量百分比等之EMSE效果。更進一步利用MATHMATICA 數學軟體繪製3D趨勢圖,以分析比較在各種不同成分、不同厚度、入射頻率、碳纖維重量百分比等之導電性複合材料EMSE之效應。預期其導電性複合材料可以適用於電子或電機儀器之機殼、手機外殼、通訊零件之機殼及潔淨室內之抗靜電襯墊等之應用。
Common polymers are not conductive nor do they have any electromagnetic shielding function. In view of this, this research proposed to develop conductive composites with electromagnetic shielding effectiveness. The polymer blend method was used in this study. Carbon fibers of various quantities were added into different polymer matrices (PP, TPR, PP/TPR), then they were well blended by a twin-screw mixer and finally injection molding was applied to produce Conductive composites. In addition to the electrical properties that included Volume Resistivity and electromagnetic shielding effectiveness, the tensile properties as well as their damage behaviors were investigated.
The electromagnetic shielding values were measured by a Vector Network Analyzer with coaxial holder, which is capable of measuring incident frequency ranges between 50MHz and 3GHz. The experimental results showed that for the 20mm thick specimens measured within a frequency range from 144 MHz to 3000MHz, their electromagnetic shielding effectiveness was 40~60dB for either PP/CF, TPR/CF or PP/TPR/CF conductive composites. For the tensile testing, the results showed that the maximum tensile strength of CF/PP conductive composite was 47MPa which was improved by about 47.56% compared to that of pure PP. Nevertheless, it was found that the maximum tensile strength dropped for both CF/TPR and CF/PP/TPR conductive composites. The figures were dropped respectively 30.67% for CF/TPR compared to pure TPR and 20.55% for CF/PP/TPR compared to pure PP/TPR.
This study obtained a mathematical model through the stepwise regression analysis of the SPSS PC+ statistical package. The electromagnetic shielding effectiveness (EMSE) would be inferable by key-in factors as composite thickness, incident frequency and weight percentage of carbon fiber. Furthermore, the MATHMATICA software was applied to draw 3D trend pictures, which was able to analyze and predict the EMSE of conductive composites with different composition, thickness, incident frequency or weight percentage of carbon fiber. It is expected that conductive composites could be useful in applications such as the casing of electronic and electrical machinery or apparatus communication apparatus, and mobile phones, antieletrostatic mat in cleaning room, etc.
中文摘要 i
英文摘要 iii
誌謝 v
目錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機 4
1.3本文架構 5
第二章 相關文獻回顧 6
2.1高分子導電複合材料 6
2.2電磁波屏蔽相關文獻 9
第三章 材料特性與理論 14
3.1聚丙烯 14
3.2熱塑性橡膠 15
3.3高分子導電複合材料 17
3.4碳纖維材料特性 20
3.4.1 PAN系碳纖維的製程 20
3.4.2碳系材料導電原理 21
3.5電磁波干擾理論 24
3.6電磁波屏蔽理論 30
3.7拉伸強度理論 40
3.8體積百分率之計算 44
第四章 研究方法 45
4.1實驗材料 45
4.1.1聚丙烯 45
4.1.2熱塑性橡膠 45
4.1.3聚丙烯/熱塑性橡膠 45
4.1.4碳纖維 46
4.2實驗設備及測試儀器 46
4.2.1雙螺桿混煉機 46
4.2.2破碎機 47
4.2.3直立式射出成型機 47
4.2.4高電阻計 48
4.2.5電磁波屏蔽效益測試裝置 48
4.2.6電腦伺服控制拉力試驗機 50
4.2.7高溫爐 51
4.2.8光學實體顯微鏡 51
4.2.9 SPSS統計分析軟體 52
4.2.10 Mathematica繪圖軟體 52
4.3實驗流程 53
4.4導電性複合材料之製備 54
4.5電氣性質及拉伸性質之測試方法 55
4.5.1表面電阻係數測試 55
4.5.2電磁波屏蔽效益測試 56
4.5.3拉伸強度測試 57
4.5.4碳纖維長度分析 58
4.5.5破損分析 58
4.6 SPSS統計與數值分析 59
4.6.1相關分析 59
4.6.2逐步迴歸分析 62
4.7 Mathematica繪圖 67
第五章 結果與討論 69
5.1 改變碳纖維含量對導電性複合材料體積電阻係數之影響 69
5.2 改變碳纖維含量對導電性複合材料之電磁波吸收損失之影響 71
5.2.1 PP/CF導電性複合材料電磁波吸收損失之SPSS統計數
值分析 71
5.2.2改變碳纖維 ( CF )含量、入射頻率與厚度對PP/CF導
電性複合材料電磁波吸收損失之影響 75
5.2.3 TPR/CF導電性複合材料電磁波吸收損失之SPSS統計
數值分析 77
5.2.4改變碳纖維 ( CF )含量、入射頻率與厚度對TPR/CF導
電性複合材料電磁波吸收損失之影響 81
5.2.5 PP/TPR/CF導電性複合材料電磁波吸收損失之SPSS統計
數值分析 83
5.2.6改變碳纖維 ( CF )含量、入射頻率與厚度對PP/TPR/CF
導電性複合材料電磁波吸收損失之影響 87
5.3 改變碳纖維含量對導電性複合材料之電磁波反射損失之影響 90
5.3.1改變碳纖維 ( CF )含量對PP/CF導電性複合材料電磁
波反射損失之影響 90
5.3.2改變碳纖維 ( CF )含量對TPR/CF導電性複合材料電磁
波反射損失之影響 92
5.3.3改變碳纖維 ( CF )含量對PP/TPR/CF導電性複合材料
電磁波反射損失之影響 93
5.4改變碳纖維含量對導電性複合材料拉伸性質之影響 95
5.4.1改變碳纖維 ( CF )含量對PP/CF導電性複合材料拉伸性
質之影響 96
5.4.2改變碳纖維 ( CF )含量對TPR/CF導電性複合材料拉伸
性質之影響 98
5.4.3改變碳纖維 ( CF )含量對PP/TPR/CF導電性複合材料
拉伸性質之影響 100
5.5導電性複合材料拉伸試驗之破損分析 102
5.5.1 PP/CF導電性複合材料拉伸試驗之破損分析 102
5.5.2 PP/CF導電性複合材料拉伸試驗之破損分析 103
5.5.3 PP/CF導電性複合材料拉伸試驗之破損分析 105
5.6改變碳纖維含量對碳纖維長度變化之關係 107
5.6.1改變碳纖維含量對PP/CF導電性複合材料碳纖維長度之影響
107
5.6.2改變碳纖維含量對TPR/CF導電性複合材料碳纖維長度之影響 108
5.6.3改變碳纖維含量對PP/TPR/CF導電性複合材料碳纖維長度之影響 109
第六章 結論 111
建議 113
參考文獻 114
附錄 118
A PP/CF導電性複合材料電磁波吸收損失表 118
B TPR/CF導電性複合材料電磁波吸收損失表 120
C PP/TPR/CF導電性複合材料電磁波吸收損失表 122
D PP/CF導電性複合材料電磁波反射損失表 124
E TPR/CF導電性複合材料電磁波反射損失表 124
F PP/TPR/CF導電性複合材料電磁波反射損失表 124
G拉伸試驗之性能表 125
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