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研究生:顏家宏
研究生(外文):Jia-Hong Yen
論文名稱:奈米氧化鋁/壓克力複材之微摩擦研究
論文名稱(外文):Research on the micro friction of the Nano Aluminium Oxide / Polymethyl Methacrylate Composite
指導教授:羅斯維
指導教授(外文):Sy-Wei Lo
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
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:113
中文關鍵詞:奈米摩擦奈米Al2O3奈米複材
外文關鍵詞:nano frictionnano Al2O3nano composite
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本論文將壓克力(PMMA)與重量比1%、3%、5%的奈米氧化鋁(Nano Al2O3)混合而成奈米複合材料,且將奈米氧化鋁粉鍍附在純的壓克力上製成不同的試片。將試片於奈米刮痕試驗機上,以不同荷重、速度之金剛石壓痕器壓入試片的方式進行摩擦刮痕試驗,觀察在不同荷重與刮痕速度條件下的刮痕情況。更深入探討在表觀情況下之摩擦係數與真實界面摩擦係數的關係,以及在界面處之摩擦剪應力的情況。另外配合ABAQUS模擬分析程式,佐證實驗結果的正確性。

實驗結果發現,添加Al2O3後,摩擦係數會下降,其中以披覆(Coating) Al2O3的試片摩擦係數最低。而藉由白光干涉儀可知,3%Al2O3試片刮痕後,有最低的刮痕深度。使用維克式硬度機可知3%Al2O3試片硬度最大,故刮痕深度最淺。且觀察到試片在較低刮痕速度時,刮痕深度較深,摩擦係數較大。若提高刮痕速度,則壓痕頭有浮起狀,使得刮痕深度較淺,摩擦係數則有降低的趨勢。推測為試片本身的應變率對於速度的反應,故藉由模擬分析軟體佐證實驗結果的正確性,結果可得相同趨勢。而透過估算,可知表觀摩擦係數和界面摩擦係數相當接近。
In the thesis, the nano composite containing PMMA matrix and nano Al2O3 are produced in three weight ratios ( 1%、3%、5%); the specimen having coated Al2O3 layer on pure PMMA are prepared as well. Then the nano scratch tribometer is used for the friction coefficient tests under different loadings and scratch velocities. In addition, the commercial code ABAQUS is employed to validate the experimental results.

It can be seen from the experiments that the friction coefficient is reduced by adding the nano Al2O3 to the PMMA and the test with coated Al2O3 layer yields the lowest friction coefficient. By measuring the surface topography with white light interferemeter, we find that the 3% Al2O3 sample possesses the smallest scratch depth. This finding concurs with the fact that the 3% Al2O3 specimen demonstrates the highest Vicker’s hardness, which leads to the lowest scratch depth. The scratch becomes shallow, thus the lower friction coefficient, in the cases of high velocity than that in the low velocity, and is believed to result from the viscous (strain rate) nature of the material. This surmise is verified by the numerical simulations where the tendency of decreasing the scratch depth is obtained as the simulated velocity is enhanced.
中文摘要 ----------------------------------------------------------------i
英文摘要 ----------------------------------------------------------------ii
致謝 ----------------------------------------------------------------iv

目錄 ----------------------------------------------------------------v

表目錄 ----------------------------------------------------------------vii

圖目錄 ----------------------------------------------------------------viii

第一章 緒論------------------------------------------------------------1
1.1 研究動機與目的----------------------------------------------1
1.2 文獻回顧----------------------------------------------------2
1.2.1 奈米複合材料之起源與發展----------------------2
1.2.2 奈米刮痕之文獻回顧----------------------------3
第二章 實驗材料與檢測設備----------------------------------------------5
2.1 實驗材料準備------------------------------------------------5
2.2 奈米氧化鋁的介紹--------------------------------------------6
2.2.1 α-Al2O3粉末製作與用途-------------------------------------6
2.2.2 奈米氧化鋁粉的主要製程--------------------------------9
2.3 壓克力(Polymethyl Methacrylate,PMMA)介紹-------------------10
2.4 押出成型法--------------------------------------------------11
2.5 射出成型法--------------------------------------------------12
2.6 實驗試片性質分析--------------------------------------------14
2.6.1 熱重量分析儀(Thermogravimetric Analysis,TGA)-------------14
2.6.2 差異掃描熱量計 (Differential Scanning Calorimeter,DSC)---17
2.6.3 動態機械分析儀(Dynamic Mechanical Analyzer,DMA) ---------21
2.6.4 試片硬度分析----------------------------------------------23
第三章 實驗方法與步驟--------------------------------------------------26
3.1 實驗儀器----------------------------------------------------26
3.1.1 奈米磨耗試驗機--------------------------------------------26
3.1.2 白光干涉儀------------------------------------------------28
3.2 操作介面介紹------------------------------------------------29
3.3 奈米磨耗試驗機2D Force Sensors(Friction And Load)校正-------29
3.3.1 2D Force Sensors(Friction And Load)介紹-------------------29
3.3.2 規格說明--------------------------------------------------29
3.3.3 100N-Fx校正-----------------------------------------------30
3.3.4 100N- Fz的校正--------------------------------------------32
3.4 微摩擦刮痕實驗流程------------------------------------------32
3.4.1 刮痕實驗之參數設定----------------------------------------32
3.4.2 實驗程序--------------------------------------------------33
第四章 實驗結果與討論--------------------------------------------------34
4.1 Al2O3含量與速度對摩擦係數變化之觀察------------------------34
4.1.1 不同Al2O3含量對摩擦係數之影響-----------------------------34
4.1.2 不同刮痕速度對摩擦係數之影響------------------------------37
4.2 使用白光干涉儀量測速度與硬度對試片刮痕深度之影響------------40
4.3 表觀摩擦係數與界面摩擦係數的關係----------------------------47
4.4 Al2O3含量與速度對界面摩擦係數變化之觀察--------------------51
4.4.1 不同Al2O3含量對界面摩擦係數之影響-------------------------51
4.4.2 不同刮痕速度對界面摩擦係數之影響--------------------------54
4.5 表觀摩擦係數與界面摩擦係數的關係圖--------------------------57
4.6 界面剪應力的情況--------------------------------------------58
4.7 實驗之數值探討----------------------------------------------60
4.7.1 有限元素法介紹--------------------------------------------61
4.7.2 分析流程--------------------------------------------------62
4.7.3 定性分析之數值模擬結果------------------------------------65
第五章 結論與建議------------------------------------------------------71
5.1 結論--------------------------------------------------------71
5.2 未來展望----------------------------------------------------71
參考文獻 ----------------------------------------------------------------72

附錄一 --------------------------------------------------------------- 73
附錄二 ----------------------------------------------------------------81
自傳 ----------------------------------------------------------------95
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