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研究生:陳彥銘
研究生(外文):Yen-ming Chen
論文名稱:石墨化溫度對碳/碳複合材料機械及磨潤性質之影響
論文名稱(外文):Effect of graphitization temperature on mechanical and tribological properties of Carbon/Carbon composites
指導教授:朱建平朱建平引用關係陳瑾惠
指導教授(外文):Chien-ping JuJiin-huey Chern Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:材料科學及工程學系碩博士班
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:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:174
中文關鍵詞:碳/碳複合材料石墨化磨潤
外文關鍵詞:Carbon/Carbon compositesGraphitizationTribology
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碳/碳複合材料(carbon/carbon composites, C/C composites)擁有許多優越的性質,如質輕、耐腐蝕、耐熱衝擊、低熱膨脹性、高溫下優越的機械性質和自身潤滑性等,因此碳/碳複合材料可成為飛機煞車材料的首選。
本研究主要是藉由石墨化溫度之改變探討石墨化處理對碳/碳複合材料機械、磨潤等性質之影響;主要目的在於尋求出較經濟且適宜製備煞車試片的中間石墨化溫度。實驗結果顯示,對PAN/resin碳/碳複合材料而言,較高的石墨化處理溫度,會造成試片的密度、孔隙率、厚度及重量產生較大的變化量。其中經T3℃中間石墨化處理後試片之孔隙率較T1℃及T2℃試片為高;而進一步經含浸處理後發現,T3℃試片之含浸效率則較其他試片為高,其最終孔隙率反而最低,密度則為最大;在機械性質方面亦是以T3℃試片較佳。在磨潤性質表現上,以T2℃試片之磨擦及磨耗性質較其他試片優異且穩定。而T3℃試片其磨擦係數中等,其磨耗量因無最終石墨化處理而甚大。綜合比較所有性質發現,本研究的最佳石墨化溫度為T2℃。
This paper studies the effect of graphitization treatment on mechanical and tribological properties of Carbon/Carbon composites by changing the graphitization temperature. The main purpose is to find the best intermediate graphitization temperature to fabricate the brake pad which is more economical. The experimental results showed, for the materials of PAN/resin C/C composites, the higher graphitization treatment temperature caused the higher variation of density, porosity, thickness and weight. The porosity of the intermediate graphitized specimen was higher than the specimen T1℃ and T2℃. After the densification process, the densification efficiency of the specimen T3℃ is better than the other specimens, so the finally porosity is the lowest and the density is the highest;for the mechanical property, the specimen T3℃ is also the best. In the view of the tribology performance, the friction and wear properties of specimen T2℃ was better and more stable than the other. However, the friction coefficient of specimen T3℃ was medium and the wear rate was highest, that is because the specimen T3℃ didn’t experienced the finally graphitization treatment. Finally, synthesis comparised all specimens properties, the best graphitization temperature is T2℃.
總目錄
中文摘要 ……………………………………………………………… Ⅰ
英文摘要 ……………………………………………………………… Ⅱ
誌謝 ……………………………………………………………… Ⅲ
總目錄 ……………………………………………………………… Ⅳ
表目錄 ……………………………………………………………… Ⅹ
圖目錄 ……………………………………………………………… ⅩⅠ

第一章 前言………………………………………………………… 1
第二章 文獻回顧…………………………………………………… 3
2.1 碳的基本性質及相關結構………………………………… 3
2.2 碳/碳複合材料之發展 …………………………………… 5
2.3 碳/碳複合材料之應用 …………………………………… 5
2.4 碳/碳複合材料之性質 …………………………………… 6
2.4.1 影響碳/碳複合材料性質之因素 ………………………… 7
2.4.1.1 碳纖維種類及排列 ……………………………………… 7
2.4.1.2 基材種類及作用方式……………………………………… 9
2.4.1.3 碳纖維與基材間交互作用………………………………… 11
2.5 碳/碳之氧化 ……………………………………………… 11
2.6 碳/碳之機械性質 ………………………………………… 12
2.7 碳/碳之熱性質 …………………………………………… 13
2.8 碳/碳複合材料製程介紹 ………………………………… 14
2.8.1 穩定化……………………………………………………… 14
2.8.2 碳化………………………………………………………… 15
2.8.3 石墨化……………………………………………………… 17
2.8.4 緻密化……………………………………………………… 19
2.9 材料磨潤研究……………………………………………… 20
2.9.1 磨潤介紹…………………………………………………… 20
2.9.2 石墨的磨潤行為…………………………………………… 21
2.9.3 碳/碳複合材料磨潤研究 ………………………………… 22
2.9.3.1 碳/碳複合材料之磨耗機構 ……………………………… 22
2.9.3.2 碳/碳煞車片的設計 ……………………………………… 23
2.9.3.3 製程參數之影響…………………………………………… 24
2.9.3.4 環境參數之影響…………………………………………… 27
2.9.3.5 碳/碳複材結構之影響 …………………………………… 28
2.9.3.6 磨耗參數之影響…………………………………………… 29
2.9.3.7 磨耗面型態之觀察及影響………………………………… 31
第三章 實驗方法…………………………………………………… 49
3.1 實驗材料…………………………………………………… 49
3.1.1 基材(matrix) ……………………………………………… 49
3.1.2 強化材(reinforcement) …………………………………… 49
3.1.3 含浸材(impregnant) ……………………………………… 49
3.2 實驗製程…………………………………………………… 49
3.2.1 材料準備…………………………………………………… 50
3.2.2 真空熱壓成型……………………………………………… 50
3.2.3 穩定化……………………………………………………… 51
3.2.4 碳化 ……………………………………………………… 51
3.2.4.1 慢速碳化…………………………………………………… 51
3.2.4.2 快速碳化…………………………………………………… 52
3.2.5 石墨化……………………………………………………… 52
3.2.6 真空緻密化含浸…………………………………………… 53
3.3 性質量測及分析…………………………………………… 54
3.3.1 厚度變化量測……………………………………………… 54
3.3.2 重量量測…………………………………………………… 54
3.3.3 密度及孔隙率量測………………………………………… 54
3.3.4 三點抗彎試驗……………………………………………… 55
3.3.5 磨耗試驗…………………………………………………… 56
3.3.6 光學相機觀察……………………………………………… 58
3.3.7 掃描式電子顯微鏡觀察…………………………………… 58
第四章 結果與討論………………………………………………… 73
4.1 中間石墨化處理對體密度、孔隙率、重量與厚度的影響 73
4.1.1 T1℃中間石墨化處理…………………………………… 73
4.1.2 T2℃中間石墨化處理…………………………………… 75
4.1.3 T3℃中間石墨化處理…………………………………… 76
4.1.4 综合製程比較……………………………………………… 77
4.1.4.1 密度及孔隙度之變化量…………………………………… 77
4.1.4.2 重量及厚度之變化量……………………………………… 80
4.1.5 SEM微觀組織觀察………………………………………… 82
4.2 中間石墨化處理對機械性質之影響……………… 83
4.2.1 T1℃中間石墨化處理…………………………………… 83
4.2.2 T2℃中間石墨化處理…………………………………… 84
4.2.3 T3℃中間石墨化處理…………………………………… 84
4.2.4 综合製程比較……………………………………………… 85
4.2.4.1 撓曲強度之變化量………………………………………… 85
4.2.4.2 撓曲模數之變化量………………………………………… 86
4.3. 中間石墨化處理溫度對磨潤性質的影響………………… 88
4.3.1 T1℃中間石墨化處理…………………………………… 88
4.3.2 T2℃中間石墨化處理…………………………………… 89
4.3.3 T3℃中間石墨化處理……………………………………… 90
4.3.4 磨擦係數曲線圖綜合比較…………………………………… 91
4.3.5 磨潤性質綜合比較…………………………………………… 92
4.3.5.1 磨合期………………………………………………………… 93
4.3.5.2 過渡期………………………………………………………… 93
4.3.5.3 穩定期………………………………………………………… 94
4.3.6 磨耗面之SEM觀察 ………………………………………… 96
4.3.6.1 未進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察…………………… 96
4.3.6.2 進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察……………………… 96
4.3.7 綜合基本性質、機械性質及磨潤性質之比較……………… 98
第五章 結論 ………………………………………………………… 152
第六章 參考文獻……………………………………………………… 153
附錄 附錄一………………………………………………………… 157

表目錄
表2-1 石墨與鑽石的各項理論性質比較…………………………… 35
表2-2 單維纖維強化碳/碳複材的典型機械性質 ………………… 35
表2-3 液各種熱固性樹脂前驅物碳產率比較……………………… 36
表2-4 一般磨擦材料的磨擦及磨耗性質…………………………… 36
表2-5 飛機煞車用的碳/碳複合材料性質 ………………………… 37
表3-1 酚醛樹脂規格………………………………………………… 59
表3-2 PAN系碳纖維規格 ………………………………………… 59
表3-3 液態酚醛樹脂規格…………………………………………… 59
表3-4 成份比例……………………………………………………… 60
表3-5 試片代號及製程條件………………………………………… 60
表4-1 各種製程試片與商用試片p/r/C各項性質總比較 ………… 99






圖目錄
圖2-1 碳的相圖……………………………………………………… 38
圖2-2 石墨的堆疊晶體結構………………………………………… 38
圖2-3 石墨的混亂式結構…………………………………………… 39
圖2-4 碳/碳複材應用範圍比例 …………………………………… 39
圖2-5 典型的纖維編織技術………………………………………… 40
圖2-6 纖維辮帶編織技術…………………………………………… 40
圖2-7 連續纖維編織強化…………………………………………… 41
圖2-8 3D、4D、5D及7D纖維編織結構………………………… 41
圖2-9 碳/碳的抗氧化系統設計 …………………………………… 42
圖2-10 碳/碳複材典型應力-應變曲線……………………………… 42
圖2-11 單維方向的碳/碳複材由不同基材前驅物製作及熱處理至
1000℃及2600℃ …………………………………………… 43
圖2-12 複材破裂擴展示意圖………………………………………… 41
圖2-13 典型碳/碳複合材料製程 …………………………………… 44
圖2-14 含高分子的複材在初步碳化時基材內發生破裂…………… 44
圖2-15 碳/碳複材隨熱處理溫度增加,其石墨化的層狀結構趨明顯 45
圖2-16 碳結構的Franklin模式……………………………………… 45
圖2-17 CVD碳的(a)粗糙層結構(b)平滑層結構(c)等向性結構……………………………………………………………… 46
圖2-18 碳/碳複材的飛機煞車系統 ………………………………… 46
圖2-19 碳/碳的煞車機制,形成磨屑與薄膜的流程圖……………… 47
圖2-20 不同碳纖維排列製作的碳/碳煞車片 ……………………… 47
圖2-21 2D碳/碳複材的煞車力矩v.s煞車時間曲線圖……………… 47
圖3-1 實驗流程圖…………………………………………………… 61
圖3-2 熱壓成型堆疊示意圖………………………………………… 62
圖3-3 油壓機外觀…………………………………………………… 62
圖3-4 (a)熱壓模具示意圖(b)模具壁(c)熱壓模具側視圖 ………… 64
圖3-5 磨耗試片尺寸規格…………………………………………… 64
圖3-6 三點式抗彎強度試片尺寸規格……………………………… 65
圖3-7 碳化設備圖…………………………………………………… 65
圖3-8 快速碳化設備示意圖………………………………………… 66
圖3-9 石墨化設備示意圖…………………………………………… 67
圖3-10 含浸設備示意圖……………………………………………… 68
圖3-11 厚度檢測相對位置圖………………………………………… 69
圖3-12 測量試片水中重圖…………………………………………… 69
圖3-13 三點抗灣試驗示意圖………………………………………… 70
圖3-14 (a)磨耗試驗機 (b)示意圖……………………………………. 72
圖4-1 GT1試片各處理階段之體密度變化………………………… 100
圖4-2 GT1試片各處理階段之孔隙率變化………………………… 100
圖4-3 GT1試片各處理階段之乾重變化…………………………… 101
圖4-4 GT1試片各處理階段之厚度變化…………………………… 101
圖4-5 GT2試片各處理階段之密度變化…………………………… 102
圖4-6 GT2試片各處理階段之孔隙率變化………………………… 102
圖4-7 GT2試片各處理階段之乾重變化…………………………… 103
圖4-8 GT2試片各處理階段之厚度變化…………………………… 103
圖4-9 GT3試片各處理階段之密度變化…………………………… 104
圖4-10 GT3試片各處理階段之孔隙率變化………………………… 104
圖4-11 GT3試片各處理階段之乾重變化…………………………… 105
圖4-12 GT3試片各處理階段之厚度變化…………………………… 105
圖4-13 從碳化階段經不同中間石墨化溫度處理後(T1℃、T2℃、T3℃),再進行四次緻密化處理試片之體密度變化……………………………………………………………… 106

圖4-14 從碳化階段至中間石墨化處理試片之體密度變化量……… 106
圖4-15 在中間石墨化處理後經四次緻密化處理試片之體密度變化量……………………………………………………………… 107
圖4-16 從碳化階段經不同中間石墨化溫度處理後(T1℃、T2℃、T3℃),再進行四次緻密化處理試片之孔隙度變化………………………………………………………………
107
圖4-17 從碳化階段至中間石墨化處理試片之孔隙度變化量……… 108
圖4-18 在中間石墨化處理後經四次緻密化處理試片之孔隙度變化量……………………………………………………………… 108
圖4-19 從碳化階段經不同中間石墨化溫度處理後(T1℃、T2℃、T3℃),再進行四次緻密化處理試片之重量變化……………………………………………………………… 109
圖4-20 從碳化階段至中間石墨化處理試片之重量變化量 ……… 109
圖4-21 在中間石墨化處理後經四次緻密化處理試片之重量變化量……………………………………………………………… 110
圖4-22 從碳化階段經不同中間石墨化溫度處理後(T1℃、T2℃、T3℃),再進行四次緻密化處理試片之厚度變化……………………………………………………………… 110
圖4-23 從碳化階段至中間石墨化處理試片之厚度變化量………… 111
圖4-24 在中間石墨化處理後經四次緻密化處理試片之厚度變化量 111
圖4-25 G系列試片熱壓成型後初胚之顯微組織觀察……………… 112
圖4-26 G系列試片進行穩定化處理後之顯微組織觀察…………… 112
圖4-27 G系列試片進行碳化處理後之顯微組織觀察……………… 113
圖4-28 GT1試片進行T1℃石墨化處理後之顯微組織觀察……… 113
圖4-29 GT2試片進行T2℃石墨化處理後之顯微組織觀察……… 114
圖4-30 GT3試片進行T3℃石墨化處理後之顯微組織觀察……… 114
圖4-31 GT1試片各處理階段之撓曲強度…………………………… 115
圖4-32 GT1試片各處理階段之撓曲模數…………………………… 115
圖4-33 GT2試片各處理階段之撓曲強度…………………………… 116
圖4-34 GT2試片各處理階段之撓曲模數…………………………… 116
圖4-35 GT3試片各處理階段之撓曲強度…………………………… 117
圖4-36 GT3試片各處理階段之撓曲模數…………………………… 117
圖4-37 從碳化階段經不同中間石墨化溫度處理後(T1℃、T2℃、T3℃),再進行四次緻密化處理試片之撓曲強度變化…………………………………………………………… 118

圖4-38 在中間石墨化處理後經四次緻密化處理試片之強度變化量……………………………………………………………… 118
圖4-39 從碳化階段經不同中間石墨化溫度處理後(T1℃、T2℃、T3℃),再進行四次緻密化處理試片之撓曲模數變化…………………………………………………………… 119
圖4-40 在中間石墨化處理後經四次緻密化處理試片之模數變化量……………………………………………………………… 119
圖4-41 GT1試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖……… 120
圖4-42 GT1試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖……… 120
圖4-43 GT1試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖……… 121
圖4-44 GT1試片進行模擬煞車試驗1~40次的磨耗面圖 ………… 126
圖4-45 GT2試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖……… 127
圖4-46 GT2試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖……… 127
圖4-47 GT2試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖……… 128
圖4-48 GT2試片進行模擬煞車試驗1~40次的磨耗面圖………… 133
圖4-49 GT3試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖……… 134
圖4-50 GT3試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖係圖… 134
圖4-51 GT3試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖……… 135
圖4-52 GT3試片進行模擬煞車試驗1~40次的磨耗面圖………… 140
圖4-53 GT1試片較具代表性之磨擦係數曲線圖…………………… 141
圖4-54 GT2試片較具代表性之磨擦係數曲線圖…………………… 141
圖4-55 GT3試片較具代表性之磨擦係數曲線圖…………………… 142
圖4-56 各種製程試片第1~5次進行模擬煞車試驗之平均磨擦係數 142
圖4-57 各種製程試片第1~5次進行模擬煞車試驗之平均煞停時間 143
圖4-58 各種製程試片第1~5次進行模擬煞車試驗之平均磨耗損失 143
圖4-59 各種製程試片第6~11次進行模擬煞車試驗之平均磨擦係數……………………………………………………………… 144
圖4-60 各種製程試片第6~11次進行模擬煞車試驗之平均煞停時間……………………………………………………………… 144
圖4-61 各種製程試片第6~10次進行模擬煞車試驗之平均磨耗損失……………………………………………………………… 145
圖4-62 各種製程試片第11~40次進行模擬煞車試驗之平均磨擦係數……………………………………………………………… 145
圖4-63 各種製程試片第11~40次進行模擬煞車試驗之平均煞停時間……………………………………………………………… 146

圖4-64 各種製程試片第11~40次進行模擬煞車試驗之平均磨耗損失……………………………………………………………… 146
圖4-65 各種製程試片之總平均磨擦係數…………………………… 147
圖4-66 各種製程試片之總平均煞停時間…………………………… 147
圖4-67 各種製程試片之總平均磨耗損失…………………………… 148
圖4-68 各種製程試片之總平均厚度損失…………………………… 148
圖4-69 GT1試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察…………… 149
圖4-70 GT2試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察…………… 149
圖4-71 GT3試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察…………… 150
圖4-72 GT1試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察…………… 150
圖4-73 GT2試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察…………… 151
圖4-74 GT3試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察…………… 151
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