臺灣博碩士論文加值系統

隨著複合材料的發展與使用越來越廣泛，對於其產品的安全性要求也相對提高，使
得複合材料在強度以及缺陷上的檢測逐漸受到重視，為了保證複合材料產品的安全使用，
相較於使用破壞性的檢測方式，對於使用非破壞檢測技術來進行產品製造後的品質檢測
是更具優勢且快速的。在樹脂基複合材料中，樹脂除了結合纖維、傳遞負荷、保護纖維、
避免產品外觀輕易損傷外，也需要有一定的性能來抵禦，防止裂縫成長，因此樹脂的選
用著重於強度與韌性；而在製造過程中氣孔的產生是目前樹脂基複合材料中最常見的微
小缺陷，對材料強度與安全性有極大的影響。
本研究針對樹脂基複合材料之樹脂基材與不同孔隙率含量之編織複合材料層板，分
別以雷射超音波技術為量測並得到樹脂基體中導波頻散關係；在樹脂基材中，使用單層
平板蘭姆波理論模型，將其進行材料參數的反算，求得材料強度；在編織複合層板中，
利用不同製程條件製造出不同孔隙率之試片，並觀察不同孔隙率下頻散曲線的變化。實
驗結果顯示，對於不同厚度之純樹脂試片進行彈性模數與厚度雙變數之反算；厚度與實
際量測所得到厚度數據，誤差僅有5%；材料參數方面，在彈性模數反算上與實際使用
拉伸試驗所得到數據誤差約能在12%以內；也在不同孔隙率下的頻散曲線觀察到其偏移，
藉由本研究對於高分子基材強度與孔隙率在製程上製程參數的調整能夠更加地快速。

With the development and increased usage of composite materials, the safety requirements of the products also relatively increased. In order to ensure the safe use of composite products, the composite materials in the strength and defects on the detection of attention is gradually paid attention to. Compared to the use of destructive testing methods, the use of non-destructive testing technology for product quality testing is more advantages and fast. Resin based composites, have functions of load transfer, fiber protection, preventing damage on appearance of product, also need to have certain properties to resist and prevent growth of cracks. During the manufacturing process, the porosity of the resin based composites is the most common micro defects, which has a great influence on the strength and safety of the material.
This research focuses on the matrix of the composite (resin) and resin-based composite with different porosity content of woven composite laminates, by using laser ultrasound technique for measurement, to get the resin matrix of guided wave dispersion relations. The differences in porosity of the specimens were fabricated by different process conditions and the variation of the dispersion curves under different porosity was observed. The experimental results show that for different thickness of pure resin specimens, the elastic modulus and thickness of two variables are inversed, thickness and the actual amount of measuring the thickness data has the error of 5%; In material parameters, compare the inversed result of elastic modulus and the actual use of the tensile test, the error is less than 12%. The shifting of dispersion curves at different porosity are also observed. Through this research, the adjustment of the process parameters can be more rapid in the process of the polymer material strength and porosity.

目 錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 3
1.3 文獻回顧 5
1.3.1 導波基本理論 5
1.3.2 孔隙對複合材料的影響 6
1.3.3 超音波於複合材料孔隙含量之量測 7
1.3.4 超音波應用於材料性質之量測 9
1.4 研究目的 11
第二章 研究方法 12
2.1 材料特性 12
2.1.1 等向性材料 12
2.2 理論模型 13
2.2.1 單層平板導波理論模型 13
2.2.2 頻散關係曲線建立 15
2.3雷射超音波技術 16
2.3.1 超音波訊號激發 16
2.3.2 超音波訊號接收 18
2.3.3 實驗架設 18
2.3.4 實驗步驟 20
2.3.5 訊號處理 21
2.4超音波檢測技術 23
2.5電腦斷層掃瞄 25
2.6 試片製備 26
2.6.1 樹脂基材試片製備 26
2.6.2 纖維複材試片製備 31
2.6.2.1酚醇類 31
2.6.2.2雙酚基雙酚甲烷類 32
2.6.2.3熱壓成型製程 33
第三章 反算技術 37
3.1 反算技術之架構 37
3.2 理論模型之正向解 39
3.2.1 全域灰階法 39
3.2.2 爬尋法 40
3.3 參數反算方法 41
3.3.1 粒子群演算法 41
3.3.2 誤差函數 45
3.3.3 收斂條件 47
第四章 結果與討論 48
4.1雷射超音波量測平台測試 48
4.2純樹脂基材材料性質探討 52
4.2.1雷射超音波於純樹脂試片之量測結果 52
4.2.1.1反算平台材料參數反算結果 57
4.2.2超音波於純樹脂試片之量測結果 62
4.2.2.1 超音波量測計算結果 67
4.2.3各實驗材料參數結果比較探討 68
4.2.3.1雷射超音波雙變數材料參數反算比較 69
4.2.3.2超音波量測計算材料參數比較 70
4.3編織纖維複材層板性質量測 71
4.3.1電腦斷層顯影量測結果 71
4.3.2雷射超音波於複材層板量測結果 76
第五章 結論 78
參考文獻 79
 

表目錄

表2-1 環氧樹脂類別與其代表化學結構 27
表2-2 試片材料參數(a)雷射超音波、(b)超音波量測 30
表2-3 編織纖維複材試片幾何參數表 36
表4-1 材料參數反算結果 50
表4-2 黃銅薄板材料參數反算結果與文獻參考資料比較 51
表4-3 樹脂試片ER06材料參數反算結果 58
表4-4 樹脂試片ER75材料參數反算結果 59
表4-5 樹脂試片ER08材料參數反算結果 60
表4-6 樹脂試片ER09材料參數反算結果 61
表4-7 不同厚度樹脂試片縱/橫波波速量測結果 67
表4-8 拉伸試驗所得材料參數 68
表4-9 材料參數反算厚度比較 69
表4-10 材料參數反算彈性模量比較 69
表4-11 超音波量測材料彈性模量比較 70
表4-12 不同熱壓壓力製程下複材層板孔隙率含量 74
 

圖目錄

圖2-1 單層平板波傳遞方向與座標系統圖 13
圖2-2 頻散關係曲線之全域灰階圖 15
圖2-3 雷射超音波激發原理示意圖 16
圖2-4 雷射超音波產生機制(a)剝離式(Ablation)、(b)熱彈式(Thermo-elastic) 17
圖2-5 實驗儀器與架設(a)Nd-YAG脈衝雷射、(b)實驗架設示意圖 19
圖2-6 雷射光路示意圖 20
圖2-7 時域波形訊號 21
圖2-8 B掃描訊號灰階圖 22
圖2-9 實驗關係圖(a)頻率-波數(f-k圖)、(b)頻率-波速(c-f圖) 22
圖2-10 超音波(a)訊號產生/接收器、(b)縱/橫波探頭、(c)訊號示波器 24
圖2-11 電腦斷層掃描儀(ZEISS METROTOM 800) 25
圖2-12 環氧樹脂硬化過程示意圖 28
圖2-13 環氧樹脂後固化處理 29
圖2-14 經加工後環氧樹脂試片 29
圖2-15 純樹脂試片(a)超音波量測、(b)雷射超音波 30
圖2-16 苯酚與甲醛縮聚反應 31
圖2-17 苯酚與甲二醇縮聚反應 31
圖2-18 酚醛樹脂(Resol)反應結構(a)甲醇基酚(b)二芐醚類(c)甲基化架橋 32
圖2-19 甲二醇與苯酚在酸觸媒下的縮聚反應 32
圖2-20 不同配位性之甲基化架橋反應 33
圖2-21 模具設計示意圖 34
圖2-22 成型設備與程序 (a)熱壓成型機、(b)入模示意圖 35
圖2-23 編織纖維複材試片 36
圖3-1 反算技術架構圖 38
圖3-2 頻散關係曲線灰階圖(f-k圖) 39
圖3-3 爬尋法示意圖 41
圖3-4 PSO示意圖 42
圖3-5 PSO演算法流程圖 43
圖3-6 理論值與實驗值間最小距離 46
圖4-1 黃銅薄片單點時域訊號圖 48
圖4-2 (a)黃銅薄板B掃描灰階訊號圖、(b)實驗頻散關係曲線圖 49
圖4-3 理論與實驗頻散曲線疊合圖 50
圖4-4 各厚度樹脂試片單點時域訊號波形圖 52
圖4-5 ER06樹脂試片(a)線性掃描灰階圖、(b)頻散曲線關係圖 53
圖4-6 ER75樹脂試片(a)線性掃描灰階圖、(b)頻散曲線關係圖 54
圖4-7 ER08樹脂試片(a)線性掃描灰階圖、(b)頻散曲線關係圖 55
圖4-9 ER09樹脂試片(a)線性掃描灰階圖、(b)頻散曲線關係圖 56
圖4-10 樹脂試片ER06頻散曲線疊合圖 58
圖4-11 樹脂試片ER75頻散曲線疊合圖 59
圖4-12 樹脂試片ER08頻散曲線疊合圖 60
圖4-13 樹脂試片ER09頻散曲線疊合圖 61
圖4-14 樹脂試片EP407 (a)縱波探頭量測結果(b)橫波探頭量測結果 62
圖4-15 樹脂試片EP408 (a)縱波探頭量測結果(b)橫波探頭量測結果 63
圖4-16 樹脂試片EP410 (a)縱波探頭量測結果(b)橫波探頭量測結果 64
圖4-17 樹脂試片EP411 (a)縱波探頭量測結果(b)橫波探頭量測結果 65
圖4-18 樹脂試片EP412 (a)縱波探頭量測結果(b)橫波探頭量測結果 66
圖4-19 拉伸試驗試片尺寸示意圖 68
圖4-20 WC50複材層板斷層顯影掃描結果(a)正視圖、(b)等角視圖 71
圖4-21 WC60複材層板斷層顯影掃描結果(a)正視圖、(b)等角視圖 72
圖4-22 WC70複材層板斷層顯影掃描結果(a)正視圖、(b)等角視圖 72
圖4-23 WC80複材層板斷層顯影掃描結果(a)正視圖、(b)等角視圖 73
圖4-24 WC90複材層板斷層顯影掃描結果(a)正視圖、(b)等角視圖 73
圖4-25 倍率10倍下複材層板形貌圖 75
圖4-26 倍率100倍下複材層板形貌圖 75
圖4-27 纖維複材試片單點時域訊號 76
圖4-28 纖維複材試片B掃描灰階圖 76
圖4-29 不同孔隙率下頻散曲線疊合圖 77

參考文獻

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