臺灣博碩士論文加值系統

本實驗是以雙酚A型之環氧樹脂（Diglycidyl Ether of Bisphenol A）作為基材，分別加入不同比例的多壁奈米碳管（0,0.5,1.0,1.5,2.0wt%）及石墨粉體（10,20,30,40,50wt%），利用超音波震盪使奈米碳管及石墨粉體均勻分散至基材中，並搭配各種不同模數的碳纖維，使用滾筒式纏繞預浸機製作碳纖維複合材料，探討其固化成型後之散熱性質及撓曲性質。
在熱性質方面，藉由微差掃描熱分析儀(DSC)分析複合材料之比熱；以熱溫差測試模組評估複材的導熱性能及散熱性質。在機械性質方面，藉由三點彎曲測試複材於軸向及側向之撓曲強度，最後利用掃瞄式電子顯微鏡（SEM）觀察多壁奈米碳管及石墨粉體於基材中分散之情形；以及紅外線熱像儀觀察試片導熱散熱過程。
實驗結果顯示，在散熱性質方面，添加量為1.5wt%多壁奈米碳管及50wt%石墨粉體之碳纖維積層板與同樣配比之高模碳纖維積層板，具有較佳散熱效果；撓曲性質方面，以添加量為1.0 wt%多壁奈米碳管及50wt%石墨粉體之碳纖維積層板為最佳化條件。

In this study, Diglycidyl Ether of Bisphenol A liquid epoxy mixed with different concentrations (0,0.5,1.0,1.5,2.0 wt%) of multi-wall
carbon nanotubes (MWNTs) and (10,20,30,40,50 wt%) Graphite powder by Ultrasonic Sieving method . Unidirectional prepregs composed of different concentration nanotubes and graphite powders with varied modulus carbon fiber were prepared by Drum Winding process. Thermal diffusivity and flexural properties of cured composites were investigated.
On the thermal properties, the specific heat capacity were determined by Differential Scanning Caloimeter(DSC) . Thermal conductivity and thermal diffusivity were determined by temperature difference system ; Flexural tests were performed to evaluate mechanical , and the dispersibility of multi-wall carbon nanotubes
(MWNTs) and Graphite powders in epoxy were obtained by Scanning Electron Microscopy (SEM). Samples of the thermal conductivity and thermal diffusivity were obtained by thermal video system.
Based on the experimental results, the laminates with 1.5wt% MWCNT and 50wt% Graphite powder impregnated with carbon fiber laminates to possess the best thermal diffusivity.The best conditions on flexural properties is 1.0 wt% MWCNT and 50wt% Graphite powder.

目錄
摘要 i
Abstract ii
第一章 前言 1
1.1背景 1
1.2文獻回顧 3
1.3研究動機與目的 7
第二章原理 8
2.1熱量傳遞理論 8
2.1.1熱傳導係數 9
2.1.2熱擴散係數 15
2.1.3比熱 16
第三章實驗 18
3.1實驗原料 18
3.2實驗設備與儀器 20
3.3實驗步驟 22
3.4實驗流程 23
3.5積層板（Laminate）的製備 24
3.6複合材料纖維體積分率測試 25
3.7熱溫差測試模組 26
3.8比熱測試（Specific Heat） 27
3.9熱傳導分析儀測試 28
3.10撓曲性質測試（Flexural propetry） 29
3.11實驗試片之編號說明 30
第四章結果與討論 31
4.1添加不同比例的多壁奈米碳管及石墨粉體對複合材料積層板之導熱及散熱性質的影響 31
4.1.1添加不同比例的多壁奈米碳管及石墨粉體對複合材料積層板之導熱性質的影響 31
4.1.2添加多壁奈米碳管1.5wt%及石墨粉體50wt%積層板導熱性之影響 34
4.1.3添加多壁奈米碳管1.5wt%及石墨粉體50wt%積層板散熱性之影響 36
4.2添加不同比例的多壁奈米碳管及石墨粉體對複合材料積層板之比熱性質的影響 39
4.3不同添加量之多壁奈米碳管及石墨粉體之分散情形 43
4.3.1不同添加量之多壁奈米碳管之分散情形 43
4.3.2不同添加量之石墨粉體之分散情形 49
4.4添加不同比例的多壁奈米碳管及石墨對複合材料積層板與金屬試片之熱影像圖 54
4.5不同比例的多壁奈米碳管對石墨複合材料積層板0度方向撓曲性質影響 62
4.6不同比例的多壁奈米碳管對石墨複合材料積層板90度方向撓曲性質影響 65
4.7不同添加量之多壁奈米碳管於50wt%石墨粉體樹脂基材之分散情形 68
第五章 結論 76
參考文獻 79
附錄 82
圖目錄
圖2.1 熱傳輸示意圖 10
圖2.2 平板熱傳導示意圖(a)幾何圖形 (b)溫度距離關係圖 11
圖2.3 聲子傳導機構示意圖 13
圖2.4 聲子結合示意圖 13
圖2.5奈米碳管/石墨粉體環氧樹脂之碳纖維複合材料之聲子傳導示意圖 14
圖3.1複合材料試片之製作流程 23
圖3.2積層板之升溫加熱曲線 24
圖3.3熱溫差測試模組示意圖 26
圖3.4微差掃描式熱分析儀DSC示意圖 27
圖3.5熱傳導係數分析儀 28
圖3.6 三點彎曲測試示意圖 29
圖4.1不同比例多壁奈米碳管及石墨粉體積層板之導熱性圖 33
圖4.2熱溫差導熱性測試結果圖 35
圖4.3熱溫差散熱性測試結果 37
圖4.4 C-1多壁奈米碳管添加量為0.5wt%SEM圖（×50000） 44
圖4.5 C-1多壁奈米碳管添加量為0.5wt%SEM圖（×100000） 44
圖4.6 C-2多壁奈米碳管添加量為1.0wt%SEM圖（×50000） 45
圖4.7 C-2多壁奈米碳管添加量為1.0wt%SEM圖（×100000） 45
圖4.8 C-3多壁奈米碳管添加量為1.5wt%SEM圖（×50000） 46
圖4.9 C-3多壁奈米碳管添加量為1.5wt%SEM圖（×100000） 46
圖4.10 C-4多壁奈米碳管添加量為2.0wt%SEM圖（×50000） 47
圖4.11 C-4多壁奈米碳管添加量為2.0wt%SEM圖（×100000） 47
圖4.12 C-4多壁碳管團聚空孔SEM圖（×100000） 48
圖4.13 G-1石墨粉體添加量為10wt%SEM圖（×1500） 50
圖4.14 G-2石墨粉體添加量為20wt%SEM圖（×1500） 50
圖4.15 G-3石墨粉體添加量為30wt%SEM圖（×1500） 51
圖4.16 G-4石墨粉體添加量為40wt%SEM圖（×1500） 51
圖4.17 G-5石墨粉體添加量為50wt%SEM圖（×1500） 52
圖4.18石墨粉體添加量60wt%SEM圖（×1500） 52
圖4.19石墨粉體添加量60wt%團聚空孔SEM圖（×9000） 53
圖4.20純環氧樹脂試片E及純碳纖維複材試片N與C-1試片比較之熱傳導影像圖 57
圖4.21 C-2、C-3、C-4及G-1複材試片之熱傳導影像圖 58
圖4.22 G-2、G-3、G-4、G-5複材試片之熱傳導影像圖 59
圖4.23 G-C-3、HM複材試片與金屬銅鋁試片比較之熱傳導影像圖 60
圖4.24 G-C-3、HM複材試片與金屬銅鋁試片比較之散熱影像圖 61
圖4.25 不同奈米碳管添加量之0度方向石墨積層板之撓曲強度 64
圖4.26 不同奈米碳管添加量之0度方向石墨積層板之撓曲模數 64
圖4.27 不同奈米碳管添加量之90度方向石墨積層板之撓曲強度 67
圖4.28 不同奈米碳管添加量之90度方向石墨積層板之撓曲模數 67
圖4.29多壁奈米碳管添加量為0.5wt%與石墨添加量50wt% G-C-1 SEM圖（×10000） 70
圖4.30多壁奈米碳管添加量為0.5wt%與石墨添加量50wt% G-C-1 SEM圖（×50000） 70
圖4.31多壁奈米碳管添加量為0.5wt%與石墨添加量50wt% G-C-1 SEM圖 71
圖4.32多壁奈米碳管添加量為1.0wt%與石墨添加量50wt% G-C-2 SEM圖（×10000） 71
圖4.33多壁奈米碳管添加量為1.0wt%與石墨添加量50wt% G-C-2 SEM圖（×50000） 72
圖4.34多壁奈米碳管添加量為1.0wt%與石墨添加量50wt% G-C-2 SEM圖（×100000） 72
圖4.35多壁奈米碳管添加量為1.5wt%與石墨添加量50wt% G-C-3 SEM圖（×10000） 73
圖4.36多壁奈米碳管添加量為1.5wt%與石墨添加量50wt% G-C-3 SEM圖（×50000） 73
圖4.37多壁奈米碳管添加量為1.5wt%與石墨添加量50wt% G-C-3 SEM圖（×100000） 74
圖4.38多壁奈米碳管添加量為2.0wt%與石墨添加量50wt% G-C-4 SEM圖（×10000） 74
圖4.39多壁奈米碳管添加量為2.0wt%與石墨添加量50wt% G-C-4 SEM圖（×50000） 75
圖4.40多壁奈米碳管添加量為2.0wt%與石墨添加量50wt% G-C-2 SEM圖（×100000） 75

表目錄
表2.1 材料之熱性質 17
表3.1實驗試片之編號說明 30
表4.1試片散熱速率 38
表4.2.試片比熱測試結果 39
表4.3試片比熱測試結果（標準化） 40

【1】S. Shaikh a,*, L. Li a, K. Lafdi a, J. Huie b,Thermal conductivity of an aligned carbon nanotube array, Carbon 45 (2007) 2608–2613
【2】蔡幸甫,IEK產業發展現況與趨勢,2007。
【3】林瑞祥，高導熱導電性質碳纖維製造技術開發，2004年5月。
【4】Yuanxin Zhou∗, Farhana Pervin, Lance Lewis, Shaik Jeelani, Fabrication and characterization of carbon/epoxy composites mixed with multi-walled carbon nanotubes, Materials Science and Engineering A 475 (2008) 157–165
【5】Soo-Jin Park, Hyo-Jin Jeong , Changwoon Nahb, A study of oxyfluorination of multi-walled carbon nanotubes on mechanical interfacial properties of epoxy matrix nanocomposites, Materials
Science and Engineering A 385 (2004) 13–16
【6】Yasmin A, Luo JJ, Daniel IM. Processing of expanded graphitereinforced polymer nanocomposites. Compos Sci Technol 2006;66(9):1182–9.
【7】Odegard GM, Gates TS. Modeling and testing of the viscoelastic properties of a graphite nanoplatelet/epoxy composite. J Intell
MaterSyst Struct 2006;17(3):239–46.
【8】Li J, Kim JK, Sham ML. Conductive graphite nanoplatelet/epoxy
nanocomposites: effects of exfoliation and UV/ozone treatment ofgraphite. Scripta Mater 2005;53(2):235–40.
【9】Hung MT et al. Heat conduction in graphite-nanoplatelet-reinforced
polymer nanocomposites. Appl Phys Lett 2006;89(2):023117.
【10】Kwang-Bok Shina, Chun-Gon Kima,*, Chang-Sun Honga, Ho-Hyung Lee, Prediction of failure thermal cycles in graphite/epoxy composite materials under simulated low earth orbit environments, Composites: Part B 31 (2000) 223–235
【11】鄭宇軒, 奈米黏土補強液態橡膠/環氧樹脂之研究,2004年7月。
【12】成會明，奈米碳管，pp.299、303，五南圖書出版股份有限公司，93年2月。
【13】A. Allaouia, S. Baia,b, H.M. Chengb, J.B. Baia,* Mechanical and electrical properties of a MWNT/epoxy composite,Composites Science and Technology 62 (2002) 1993–1998
【14】Florian H. Gojny a,*, Malte H.G. Wichmann a, Bodo Fiedler a, Ian A. Kinloch b,Wolfgang Bauhofer c, Alan H. Windle b, Karl Schulte a , Evaluation and identification of electrical and thermal conduction mechanisms in carbon nanotube/epoxy composites*,Polymer 47 (2006) 2036–2045
【15】Shadab Shaikh a,*, Khalid Lafdi a, Edward Silverman b, The effect of a CNT interface on the thermal resistance of contacting surfaces, Carbon 45 (2007) 695–703
【16】I.Krupa, I.Chodak, Physical propertyes of thermoplastic/graphite composites,European Polymer Journal 37 (2001)2159-2168
【17】Lux F.J Mater Sci 1995;18:1457
【18】Chang-Ming Ye 1 2 *, Bao-Qing Shentu 1, Zhi-Xue Weng 1 ,Thermal conductivity of high density polyethylene filled with graphite, Journal of Applied Polymer Science , Vol. 101,3806-3810m,2006
【19】Christie J.Geankoplis ,Transport Processes and Unit Operation (1983)205-360.