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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蔡安庭
研究生(外文):TSAI,AN-TING
論文名稱:以奈米強化材補強碳纖維疊層板於落錘破壞特性研究
論文名稱(外文):The Impact Behaviour of Polymer-Based Composite Laminates Modified with Nano-Reinforcement
指導教授:謝宗翰謝宗翰引用關係
指導教授(外文):Hsieh,Tsung-Han
口試委員:吳佳璟梁智翔
口試委員(外文):Wu,Chia-ChingLiang, Zhi-Xiang
口試日期:2017-07-21
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:模具工程系
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:129
中文關鍵詞:多壁奈米碳管
外文關鍵詞:multi-walled carbon nanotube
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由於複合材料的高剛性、高模數,複合材料廣泛的被使用,從裝飾用的外殼,到具有負載能力的結構體上都能看到其蹤跡,然而在面對無預期的碰撞與負載下所產生的材料內部與外部之裂縫與損傷皆有可能對結構體的整體剛性、自然頻率與阻尼比造成甚大的影響。本研究探討在分別加入不同大小之奈米等級多壁奈米碳管與奈米碳纖維,來補強纖維複材疊層板後,觀察纖維板於衝擊前後對於自然頻率與阻尼比的變化。
本實驗使用纏繞機來成形預浸材,以壓力釜熱壓法成型纖維疊層板,利用CNC裁切好的試片進行落重式衝擊試驗。振動量測是將纖維疊層板以自由狀態(free-free)之吊掛方式,使用衝擊槌敲擊給予激振,探討纖維疊層板於衝擊以後對於動態特性的變化,最後利用非破壞檢測來檢視試片於衝擊試驗後,所造成之破壞面積大小。
由衝擊試驗結果可以得知,分別加入0.5wt%之多壁奈米碳管與奈米碳纖維後,在不同焦耳數之能量衝擊下,皆有效提升抵抗衝擊能力,且可以減少脫層及破壞面積。振動部份,在添加0.5wt%多壁奈米碳管後,試片於自然頻率與阻尼比皆比添加0.5wt%之奈米碳纖維有更好的表現,因此在添加尺寸(管徑)較小之多壁奈米碳管之纖維疊層板,對於衝擊負載及動態特性皆比尺寸(管徑)較大之奈米碳纖維有更顯著的提升效果。

Polymer-based composites have been widely used in in mold decoration (IMD) and main structure-related applications due to their outstanding material properties, such as high stiffness and high strength. However, the impact loading resulted in serious damage of the composite laminates, and consequently the structural stiffness, natural frequency and damping property were decreased. In this study, nano-reinforcements of multi-wall carbon nanotube and carbon nanofiber were used to modify the fiber-reinforced polymer composite laminates. The effect of the laminates modified of with nano-reinforcements on the drop-weight impact behaviour was investigated.
The drum-winding machine was used to manufacture carbon fiber prepreg in this study. Out of autoclave (OOA) hot-pressure method was used to form the CFRP laminates. The specimens were then cut by using a CNC machine, and were subjected to drop-weight impact loading. The dynamic tests were performed on the damaged laminates in free-free boundary condition, and an impact hammer was used to create a excitation. The non-destructive inspection (NDI) was used to measure the damage area of the laminates after impact tests.
According to the experimental results, the addition of nanotube or nanofiber led to an increase in the impact behaviour and a decrease in the damage area. The laminates modified with nanotube have a relatively high value of damping ratio, compared with the laminates modified with nanofiber. The smaller size the nano-reinforcement was used, the higher level of damping performance and impact bheaviour can be obtained.

目錄
摘要 1
Abstract 3
致謝 5
目錄 6
表目錄 9
圖目錄 11
符號表 16
第一章 緒論 17
1-1 前言 17
1-2 研究目的與方法 18
1-3簡介與文獻回顧 19
1-3-1 纖維複合材料 19
1-3-2 環氧樹脂(epoxy) 20
1-3-3 奈米碳管(carbon nanotube) 20
1-3-4 奈米碳纖維(carbon nano fiber) 21
1-3-5 衝擊性質 22
1-3-6 理論振動分析 24
1-3-7 阻尼測量 38
1-3-8非破壞檢測 43
1-3-9有限元素法 45
第二章 實驗材料與設備 49
2-1 實驗材料 49
2-2 試片成型材料 53
2-3 試片成型設備 60
2-4 實驗測試儀器 71
2-4-1振動實驗設備 71
2-4-2落重式衝擊試驗設備 76
第三章 試片製作與實驗流程 82
3-1 實驗試片成型製作 83
3-1-1 基材與奈米粉末備製 83
3-1-2 纏繞預浸材 85
3-1-3 疊層板壓力釜成形 86
3-1-4 試片裁切 89
3-2 實驗方法及流程 90
3-2-1 動態特性試驗 90
3-2-2 落重式衝擊方法及流程 92
3-2-3 非破壞檢測方法及流程 95
3-2-4 碳纖維複合材料有限元素分析流程 98
第四章 結果與討論 100
4-1 落重式衝擊試驗分析 100
4-2 非破壞檢測分析 107
4-3 動態試驗分析 117
第五章 結論與未來工作 125
5-1 結論 125
5-2 未來工作 126
參考文獻 127
簡歷 130


















表目錄
表2-1 環氧樹脂規格 50
表2-2 NC826硬化條件 50
表2-3碳纖維束規格 51
表2-4真空袋規格 54
表2-5 離型紙規格 55
表2-6脫模布 57
表2-7透氣布規格 58
表2-8電子天秤規格 60
表2-9 微量電子天秤 61
表2-10超音波攪拌機規格 62
表2-11三滾筒分散機規格 64
表2-12 水冷卻機規格 65
表2-13 纖維紡紗機規格 66
表2-14熱壓機規格 68
表2-15 CNC加工機規格 69
表2-16衝擊鎚詳細規格 72
表2-17加速度規詳細規格 73
表2-18八通道頻譜分析儀規格 74
表2-19氣浮平台規格 76
表2-20力規規格 76
表2-21旋轉編碼器規格 77
表2-22資料擷取硬體規格. 78
表2-23外線熱影像儀規格 79
表2-24重式衝擊試驗機規格 81
表3-1 三滾筒調整間隙參數表 85
表3-2碳纖維疊層板建模設定(模態分析) 98
表4-1 衝擊能量30J-最大衝擊力量 101
表4-2 衝擊能量50J-最大衝擊力量 102
表4-3 各衝擊能量衝擊下試片有無貫穿 103
表4-4 衝擊能量50J-能量吸收 105
表4-5衝擊能量60J-最大衝擊力量 107
表4-6衝擊能量30J-衝擊破壞面積-30J 114
表4-7衝擊破壞面積-衝擊能量50J 115
表4-8衝擊破壞面積-衝擊能量60J 116
表4-9non-damage之試片自然頻率 118
表4-10不同焦耳數衝擊後之自然頻率 119
表4-11未添加與添加0.5wt%多壁奈米碳管與奈米碳纖維阻尼比 122
表4-12未添加與添加0.5wt%多壁奈米碳管與奈米碳纖維阻尼比 124






圖目錄
圖1-1奈米碳管(a)扶椅形、(b)拉鍊形與(c)對掌形結構示意圖[6] 21
圖1-2單壁與多壁奈米碳管示意圖[7] 21
圖1-3奈米碳纖維(a)SEM、(b)TEM圖[19] 22
圖1-4單自由度彈簧-質量系統[21] 26
圖1-5臨界阻尼系統[21] 27
圖1-6過阻尼系統[21] 27
圖1-7欠阻尼系統[21] 28
圖1-8單自由度彈簧-質量系統-前半週期(庫倫阻尼) [21] 31
圖1-9位移衰減示意圖[21] 32
圖1-10具黏滯阻尼之單自由度系統[21] 34
圖1-11具結構阻尼之單自由度系統[21] 35
圖1-12暫態響應分析示意圖[21] 37
圖1-13頻譜響應分析示意圖[21] 38
圖1-14半功率頻寬法示意圖[22] 41
圖1-15對數衰減法示意圖 43
圖1-16 熱影像拍攝 45
圖2-1 NC826 環氧樹脂A劑(主劑左)、B劑(硬化劑右) 49
圖2-2 碳纖維束 51
圖2-3多壁奈米碳管之SEM圖 52
圖2-4奈米碳纖維之SEM圖 53
圖2-5丁酮 53
圖2-6真空袋 54
圖2-7 離型紙 55
圖2-8脫模蠟 56
圖2-9 脫模布 57
圖2-10透氣布 58
圖2-11 吸脂綿 59
圖2-12 電子天秤 60
圖2-13 微量電子天秤 61
圖2-14 超音波攪拌機 62
圖2-15三滾筒分散機示意圖 63
圖2-16 三滾筒分散機 63
圖2-17 水冷卻機 64
圖2-18 樹脂槽 65
圖2-19 纖維紡紗機 66
圖2-20 壓力釜上模(上)、下模(下) 67
圖2-21 熱壓機 68
圖2-22 CNC加工機 69
圖2-23圓盤砂布機 70
圖2-24衝擊鎚 71
圖2-25加速度規 73
圖2-26八通道頻譜分析儀 74
圖2-27振動實驗夾具 75
圖2-28氣浮平台 75
圖2-29力規 76
圖2-30旋轉編碼器 77
圖2-31資料擷取硬體 78
圖2-32紅外線熱影像儀 79
圖2-33落重式衝擊試驗機 80
圖3-1實驗流程圖 82
圖3-2 環氧樹脂調配示意圖 83
圖3-3 超音波分散奈米顆粒示意圖 84
圖3-4 三滾筒分散奈米顆粒示意圖 84
圖3-5 纏繞預浸布完成 85
圖3-6 預浸布裁切完成示意圖0°(上)、90°(下) 86
圖3-7 預浸材疊層黏貼於模板示意圖 87
圖3-8預浸材疊層與耗材示意圖 87
圖3-9 置於壓力釜下模示意圖 87
圖3-10熱壓機合模示意圖 88
圖3-11 升溫曲線圖 88
圖3-12 碳纖維板正面(左)、反面(右) 89
圖3-13 CNC銑削碳纖板 89
圖3-14 衝擊試片 90
圖3-15試片夾持與加速度規黏貼位置 91
圖3-16衝擊鎚敲擊示意圖 91
圖3-17 [0/90/90/0]5s疊層示意圖 92
圖3-18 衝擊頭∅9mm(左)、∅20mm(右) 92
圖3-19調整高度示意圖 93
圖3-20力規安裝示意圖 94
圖3-21 拍攝熱影像示意圖 96
圖3-22 熱影像溫度區間分布像素點 97
圖3-23 熱影像彩色圖 97
圖3-24建構疊層面示意圖 98
圖3-25疊層示意圖 99
圖3-26懸臂樑固定邊 99
圖4-1 衝擊能量30J -最大衝擊力量曲線圖 101
圖4-2 衝擊能量50J -最大衝擊力量曲線圖 103
圖4-3 無添加奈米顆粒碳纖維板-衝擊能量吸收曲線圖 104
圖4-4 添加奈米碳纖維0.5wt%-衝擊能量吸收曲線圖 105
圖4-5 衝擊能量吸收曲線圖 106
圖4-6衝擊能量60J -最大衝擊力量曲線圖 107
圖4-7 未添加奈米顆粒熱影像圖-衝擊能量30J 108
圖4-8 添加0.5wt%多壁奈米碳管熱影像圖- 109
圖4-9 添加0.5wt%奈米碳纖維熱影像圖- 109
圖4-10 未添加奈米顆粒熱影像圖-衝擊能量50J 110
圖4-11 添加0.5wt%多壁奈米碳管熱影像圖-衝擊能量50J 110
圖4-12添加0.5wt%奈米碳纖維熱影像圖-衝擊能量50J 111
圖4-13 未添加奈米顆粒熱影像圖-衝擊能量60J 111
圖4-14添加0.5wt%多壁奈米碳管熱影像圖-衝擊能量60J 112
圖4-15添加0.5wt%奈米碳纖維熱影像圖-衝擊能量60J 112
圖4-16衝擊破壞面積直方圖-衝擊能量30J 114
圖4-17衝擊破壞面積直方圖-衝擊能量50J 115
圖4-18衝擊破壞面積直方圖-衝擊能量60J 116
圖4-19 non-damage之試片自然頻率 118
圖4-20 純碳纖維板衝擊前後之自然頻率 119
圖4-21添加0.5wt%多壁奈米碳管衝擊前後之自然頻率 120
圖4-22添加0.5wt%奈米碳纖維衝擊前後自然頻率 121
圖4-23 non-damage之試片阻尼比 123
圖4-24 不同衝擊能量衝擊後之阻尼比比較圖 123


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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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