跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(44.211.117.197) 您好!臺灣時間:2024/05/27 04:26
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

: 
twitterline
研究生:戴翊婷
研究生(外文):Yi-Ting Tai
論文名稱:含單邊裂縫之矩形薄膜承受拉伸作用之皺褶變化及機械性能探討
論文名稱(外文):Investigation of Wrinkles and Mechanical Properties of Single-edge Cracked Rectangular Thin Films Due to Tensile Loads
指導教授:任明華任明華引用關係
指導教授(外文):Ming-Hwa R. Jen
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:機械與機電工程學系研究所
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:2020
畢業學年度:109
語文別:中文
論文頁數:116
中文關鍵詞:皺褶拉伸薄膜單邊裂縫疲勞
外文關鍵詞:Thin filmSingle-edge crackWrinklesFatigueTensile
相關次數:
  • 被引用被引用:1
  • 點閱點閱:85
  • 評分評分:
  • 下載下載:4
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
本文旨在探討含單邊裂縫之不同長度及不同厚度之高分子薄膜、金屬薄膜及金屬薄板,在室溫下承受拉伸作用之機械行為,並觀察薄膜起皺現象,許多研究已明確指出皺褶會影響薄膜結構的穩定性,但多數皆為無缺陷之薄膜材料,具有缺陷之薄膜研究相對較少,本文實驗材料高分子薄膜主要為聚丙烯(PP)薄膜及對苯二甲酸酯乙二酯(PET)薄膜,金屬薄膜為鋁箔,金屬薄板為純鈦板,將薄膜及薄板裁切成細長矩形,並在試片長度左側中間割出人造單邊裂縫進行拉伸實驗,以此得到拉伸數據與材料機械性質。
本實驗所使用的PP 薄膜厚度分別為8、12、18及22 μm,PET薄膜厚度分別為8、12、16及22 μm,鋁箔厚度分別為10、16 μm,薄鈦版厚度為0.5 mm,裂縫長度為試片寬度之20分之1、2、3、4、5及6,利用MTS Model 42 微拉伸試驗機,進行速率為1 mm/min之類靜態拉伸實驗,且於試片前方架設攝影機進行非接觸式影像量測,觀察薄膜皺褶變化並同時記錄對應之負載及伸長量,透過拉伸數據可進一步探討應力強度因子K,並將數據繪製成圖表,觀察薄膜厚度、單邊裂縫長度及應力強度因子這三者間的關係,也可再進一步計算皺褶成長速率。
根據實驗結果得知,三種薄膜起皺皆具有規律性,可分為2階段:面內變形、面外變形階段,但薄膜面內變形階段較小無法觀察,因此本文探討薄膜面外變形。含單邊裂縫之PP及PET薄膜在承受單軸拉伸時,其薄膜表面皺褶產生之模式及數量兩者相似,而鋁箔表面皺褶產生位置與其他兩者有些不同;在厚度及裂縫長度條件相同下,PET薄膜所能承受負載較PP薄膜高,對於厚度、裂縫長度這兩種變因所造成的其他數值變化,兩種薄膜趨勢也相似。在相同之裂縫長度下,薄膜厚度越厚,產生皺摺時承受之負載越大,試片的伸長量也越長,因厚度大可以使試片承受較大的應力,也可增加薄膜試片的抗彎勁度,此外,皺褶生長速率第一條皺褶產生時速率會隨著薄膜厚度增加而減慢,第二條皺褶速率卻是隨著薄膜厚度增加而增快,但在相同厚度下,第二條皺褶速率會比第一條皺摺速率快。
This thesis aims to investigate the mechanical and wrinkle behaviors of thin films containing the single-edge cracks of different lengths and thicknesses due to tensile test at room temperature. Numerous studies have shown that the wrinkles influence the film structures, while the research of wrinkles in the pre-crack thin films has been rarely discussed, particularly in polymer materials. Herein, the experimental materials are mainly polypropylene (PP) film, polypropylene terephthalate (PET) film, aluminum foil and titanium sheet. The specimen were cut into slender rectangles. The length and width of the samples were 230 mm and 20 mm. A single-edge crack was cut in the middle at the left side to perform tensile test to obtain the mechanical properties.
The thicknesses for the PP film were 8, 12, 18, and 22 μm, and 8, 12, 16 and 22 μm for PET films, and10, 16 μm for aluminum foil and 0.5 mm for titanium sheet. The crack lengths were 1/20,2/20,3/20,4/20,5/20,6/20 of the specimen width. For tensile test an MTS Model42 micro-tensile system were used to receive the load vs. displacement curves. We set up a camera in front of the sample for non-contact image measurement to observe the changes in film wrinkles and record the load and elongation at the same step.
There are two stages in the deformation such as in-plane and out-of-plane deformation, and the out-of-plane deformation stage of the film was discussed. All of three thin films with single-edge cracks have similar wrinkles, and the effects of crack length and film thickness are also similar.
目錄
論文審定書 i
摘要 ii
Abstract iv
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 xii
符號說明 xiv
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 薄膜簡介 1
1-3 研究動機 2
1-4 薄膜皺褶現象 3
1-5 研究方向 4
1-6 文獻回顧 4
1-7 組織章節 7
第二章 實驗方法 11
2-1 實驗材料 11
2-1-1 薄膜材料 11
2-1-2 金屬薄板 12
2-2 儀器設備 12
2-3 試片準備與製作 13
2-3-1 薄膜材料試片 13
2-3-2 金屬薄板試片 14
2-4 試驗簡述 14
2-4-1 薄膜拉伸實驗 14
2-4-2 鈦板拉伸實驗 15
第三章 實驗結果 22
3-1 鈦板拉伸實驗結果 22
3-2 薄膜拉伸實驗結果 22
3-3 薄膜皺褶量測 23
第四章 分析與討論 76
4-1試片機械性質 76
4-1-1 PP及PET薄膜機械性質 76
4-1-2 鋁薄膜機械性質 77
4-1-3 純鈦板機械性質 78
4-2 薄膜皺褶成長速率 79
4-3 破壞力學之應力強度因子K 80
第五章 結論 95
6-1 實驗結論 95
5-2 未來展望 96
參考文獻 97
附錄 試片製作 100



圖目錄
圖1-1 薄膜表面、外變形示意圖 8
圖1-2 薄膜結構中三種變形狀態 8
圖1-3 聚乙烯薄膜之疲勞壽命圖 9
圖1-4 聚丙烯薄膜之疲勞壽命圖 10
圖2-1 薄膜材料:PET、PP及鋁薄膜 15
圖2-2 MTS Model42 微系統拉力試驗機 16
圖2-3 TestWorks 4軟體操作畫面 16
圖2-4手持式控制面板 17
圖2-5 MTS 810萬能試驗機 17
圖2-6 MTS 458 控制台與電腦 18
圖2-7 MTS-634.11F-24 常溫應變計 18
圖2-8 GT-8510A 水冷式鑽石刀輪切割機 19
圖2-9 銅板 19
圖2-10 Mitutoyo 數位式外境測微器 20
圖2-11攝影補光燈 20
圖2-12 薄膜拉伸試片尺寸示意圖 21
圖2-13 薄膜固定框架示意圖 21
圖2-14 鈦板拉伸試片示意圖 21
圖3-1 無缺陷之鈦板拉伸應力應變圖 36
圖3-2 不同厚度之無缺陷薄膜之拉伸應力應變圖 36
圖3-3 含單邊裂縫鈦板之負載與位移關係圖 37
圖3-4 不同厚度之含單邊裂縫鋁箔負載位移圖 38
圖3-5 不同厚度之含單邊裂縫PP薄膜負載位移圖 39
圖3-6 不同厚度之含單邊裂縫PET薄膜負載位移圖 40
圖3-7 單邊裂縫長a=1.2 mm之鈦板試片斷裂圖 41
圖3-8 單邊裂縫長a=2.4 mm之鈦板試片斷裂圖 41
圖3-9 單邊裂縫長a=3.6 mm之鈦板試片斷裂圖 41
圖3-10 單邊裂縫長a=4.8 mm之鈦板試片斷裂圖 42
圖3-11 單邊裂縫長a=6.0 mm之鈦板試片斷裂圖 42
圖3-12 單邊裂縫長a=7.2 mm之鈦板試片斷裂圖 42
圖3-13 單邊裂縫長a=1 mm之16AL承受拉力作用之皺褶變化 43
圖3-14單邊裂縫長a=2 mm之16AL承受拉力作用之皺褶變化 43
圖3-15 單邊裂縫長a=3 mm之16AL承受拉力作用之皺褶變化 44
圖3-16 單邊裂縫長a=4 mm之16AL承受拉力作用之皺褶變化 44
圖3-17 單邊裂縫長a=5 mm之16AL承受拉力作用之皺褶變化 45
圖3-18 單邊裂縫長a=6 mm之16AL承受拉力作用之皺褶變化 45
圖3-19 單邊裂縫長a=1 mm之10AL承受拉力作用之皺褶變化 46
圖3-20 單邊裂縫長a=2 mm之10AL承受拉力作用之皺褶變化 46
圖3-21 單邊裂縫長a=3 mm之10AL承受拉力作用之皺褶變化 47
圖3-22 單邊裂縫長a=4 mm之10AL承受拉力作用之皺褶變化 47
圖3-23 單邊裂縫長a=5 mm之10AL承受拉力作用之皺褶變化 48
圖3-24 單邊裂縫長a=6 mm之10AL承受拉力作用之皺褶變化 48
圖3-25 單邊裂縫長a=1 mm之22PP承受拉力作用之皺褶變化 49
圖3-26 單邊裂縫長a=2 mm之22PP承受拉力作用之皺褶變化 49
圖3-27 單邊裂縫長a=3 mm之22PP承受拉力作用之皺褶變化 50
圖3-28 單邊裂縫長a=4 mm之22PP承受拉力作用之皺褶變化 50
圖3-29 單邊裂縫長a=5 mm之22PP承受拉力作用之皺褶變化 51
圖3-30 單邊裂縫長a=6 mm之22PP承受拉力作用之皺褶變化 51
圖3-31 單邊裂縫長a=1 mm之18PP膜承受拉力作用之皺褶變化 52
圖3-32 單邊裂縫長a=2 mm之18PP承受拉力作用之皺褶變化 52
圖3-33 單邊裂縫長a=3 mm之18PP膜承受拉力作用之皺褶變化 53
圖3-34 單邊裂縫長a=4 mm之18PP承受拉力作用之皺褶變化 53
圖3-35 單邊裂縫長a=5 mm之18PP承受拉力作用之皺褶變化 54
圖3-36 單邊裂縫長a=6 mm之18PP承受拉力作用之皺褶變化 54
圖3-37 單邊裂縫長a=1 mm之12PP承受拉力作用之皺褶變化 55
圖3-38 單邊裂縫長a=2 mm之12PP承受拉力作用之皺褶變化 55
圖3-39 單邊裂縫長a=3 mm之12PP承受拉力作用之皺褶變化 56
圖3-40 單邊裂縫長a=4 mm之12PP承受拉力作用之皺褶變化 56
圖3-41 單邊裂縫長a=5 mm之12PP承受拉力作用之皺褶變化 57
圖3-42 單邊裂縫長a=6 mm之12PP承受拉力作用之皺褶變化 57
圖3-43 單邊裂縫長a=1 mm之8PP承受拉力作用之皺褶變化 58
圖3-44 單邊裂縫長a=2 mm之8PP承受拉力作用之皺褶變化 59
圖3-45 單邊裂縫長a=3 mm之8PP承受拉力作用之皺褶變化 60
圖3-46 單邊裂縫長a=4 mm之8PP承受拉力作用之皺褶變化 61
圖3-47 單邊裂縫長a=5 mm之8PP承受拉力作用之皺褶變化 62
圖3-48 單邊裂縫長a=6 mm之8PP承受拉力作用之皺褶變化 63
圖3-49 單邊裂縫長1 mm之22PET承受拉力作用之皺褶變化 64
圖3-50 單邊裂縫長2 mm之22PET承受拉力作用之皺褶變化 64
圖3-51 單邊裂縫長3 mm之22PET承受拉力作用之皺褶變化 65
圖3-52 單邊裂縫長4 mm之22PET承受拉力作用之皺褶變化 65
圖3-53 單邊裂縫長5 mm之22PET承受拉力作用之皺褶變化 66
圖3-54 單邊裂縫長6 mm之22PET承受拉力作用之皺褶變化 66
圖3-55 單邊裂縫長1 mm之16PET承受拉力作用之皺褶變化 67
圖3-56 單邊裂縫長2 mm之16PET膜承受拉力作用之皺褶變化 67
圖3-57 單邊裂縫長3 mm之16PET承受拉力作用之皺褶變化 68
圖3-58 單邊裂縫長4 mm之16PET承受拉力作用之皺褶變化 68
圖3-59 單邊裂縫長5 mm之16PET承受拉力作用之皺褶變化 69
圖3-60 單邊裂縫長6 mm之16PET承受拉力作用之皺褶變化 69
圖3-61 單邊裂縫長1 mm之12PET承受拉力作用之皺褶變化 70
圖3-62 單邊裂縫長2 mm之12PET承受拉力作用之皺褶變化 70
圖3-63 單邊裂縫長3 mm之12PET承受拉力作用之皺褶變化 71
圖3-64 單邊裂縫長4 mm之12PET承受拉力作用之皺褶變化 71
圖3-65 單邊裂縫長5 mm之12PET承受拉力作用之皺褶變化 72
圖3-66 單邊裂縫長6 mm之12PET承受拉力作用之皺褶變化 72
圖3-67 單邊裂縫長1 mm之8PET承受拉力作用之皺褶變化 73
圖3-68 單邊裂縫長2 mm之8PET承受拉力作用之皺褶變化 73
圖3-69 單邊裂縫長3 mm之8PET承受拉力作用之皺褶變化 74
圖3-70 單邊裂縫長4 mm之8PET承受拉力作用之皺褶變化 74
圖3-71 單邊裂縫長5 mm之8PET承受拉力作用之皺褶變化 75
圖3-72 單邊裂縫長6 mm之8PET承受拉力作用之皺褶變化 75
圖4-1 PP薄膜之厚度、裂縫長度及K值之關係圖 89
圖4-2製PET薄膜之厚度、裂縫長度及K值之關係圖 90
圖4-3鋁箔之厚度、裂縫長度及K值之關係圖 91
圖4-4 PP膜不同次方數之三種數據關係立體圖 92
圖4-5 PET膜不同次方數之三種數據關係立體圖 93
圖4-6 鋁箔不同次方數之三種數據關係立體圖 94



表目錄
表3-1 無缺陷鈦板之拉伸數據 26
表3-2不同單邊裂縫長度鈦板之拉伸數據 26
表3-3 不同厚度之無缺陷薄膜之機械性質 27
表3-4 含單邊裂縫之厚度16μm之鋁箔機械性質表 28
表3-5 含單邊裂縫之厚度10μm之鋁箔機械性質表 28
表3-6 含單邊裂縫之厚度22μm之PP薄膜機械性質表 28
表3-7 含單邊裂縫之厚度18μm之PP薄膜機械性質表 29
表3-8 含單邊裂縫之厚度12μm之PP薄膜機械性質表 29
表3-9 含單邊裂縫之厚度8μm之PP薄膜機械性質表 29
表3-10 含單邊裂縫之厚度22μm之PET薄膜機械性質表 30
表3-11 含單邊裂縫之厚度16μm之PET薄膜機械性質表 30
表3-12 含單邊裂縫之厚度12μm之PET薄膜機械性質表 30
表3-13 含單邊裂縫之厚度8μm之PET薄膜機械性質表 31
表3-14 含單邊裂縫之厚度16μm之鋁箔皺褶對照負載 31
表3-15 含單邊裂縫之厚度10μm之鋁箔皺褶對照負載 31
表3-16 含單邊裂縫之厚度22μm之PP薄膜皺褶對照負載 32
表3-17 含單邊裂縫之厚度18μm之PP薄膜皺褶對照負載 32
表3-18 含單邊裂縫之厚度12μm之PP薄膜皺褶對照負載 33
表3-19 含單邊裂縫之厚度8μm之PP薄膜皺褶對照負載 33
表3-20 含單邊裂縫之厚度22μm之PET薄膜皺褶對照負載 34
表3-21 含單邊裂縫之厚度16μm之PET薄膜皺褶對照負載 34
表3-22 含單邊裂縫之厚度12μm之PET薄膜皺褶對照負載 35
表3-23 含單邊裂縫之厚度8μm之PET薄膜皺褶對照負載 35
表4-1 單邊裂縫之厚度16μm之鋁箔皺褶成長速率 82
表4-2 單邊裂縫之厚度10μm之鋁箔皺褶成長速率 82
表4-3 單邊裂縫之厚度22μm之PP薄膜皺褶成長速率 82
表4-4 單邊裂縫之厚度18μm之PP薄膜皺褶成長速率 83
表4-5 單邊裂縫之厚度12μm之PP薄膜皺褶成長速率 83
表4-6 單邊裂縫之厚度8μm之PP薄膜皺褶成長速率 83
表4-7 單邊裂縫之厚度22μm之PET薄膜皺褶成長速率 84
表4-8 單邊裂縫之厚度16μm之PET薄膜皺褶成長速率 84
表4-9 單邊裂縫之厚度12μm之PET薄膜皺褶成長速率 84
表4-10 單邊裂縫之厚度8μm之PET薄膜皺褶成長速率 85
表4-11 厚度8μm之PP薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 85
表4-12 厚度12μm之PP薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 85
表4-13 厚度18μm之PP薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 86
表4-14 厚度22μm之PP薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 86
表4-15 厚度8μm之PET薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 86
表4-16 厚度12μm之PET薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 87
表4-17 厚度16μm之PET薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 87
表4-18 厚度22μm之PET薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 87
表4-19 厚度10μm之AL薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 88
表4-20 厚度16μm之AL薄膜不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 88
表4-21 厚度0.5 mm之鈦板不同裂縫長度之應力強度因子"KΙ" 88
參考文獻

[1]Lake, M. S., Peterson, L. D., & Levine, M. B. (2002). Rationale for defining structural requirements for large space telescopes. Journal of Spacecraft and Rockets, 39(5), 674-681.
[2]黃奕豪(民103)。矩形薄膜於拉伸作用下皺褶變形之實驗探討。國立中山大學機械與機電工程學系研究所碩士論文。
[3]陳逸穎(民104)。矩形金屬薄膜之疲勞性質探討。國立中山大學機械與機電工程學系研究所碩士論文。
[4]劉庭揚(民105)。薄膜之拉伸與疲勞作用之探討。國立中山大學機械與機電工程學系研究所碩士論文。
[5]陳晏鈴(民106)。中央含孔矩形薄膜其拉伸皺褶之探討。國立中山大學機械與機電工程學系研究所碩士論文。
[6]陳彥文(民107)。含孔聚丙烯薄膜之拉伸與疲勞實驗探討。國立中山大學機械與機電工程學系研究所碩士論文。
[7]Ding, H. L., & Yang, B. G. (2003). The modeling and numerical analysis of wrinkled membranes. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 58(12), 1785-1801.
[8]Murphey, T., Murphy, D., Mikulas, M., & Adler, A. (2002). A method to quantify the thrust degradation effects of structural wrinkles in solar sails. Paper presented at the 43rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference.
[9]Kukathasan, S., & Pellegrino, S. (2003). Nonlinear vibration of wrinkled membranes. Paper presented at the 44th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference.
[10]Nayyar, V., Ravi-Chandar, K., & Huang, R. (2014). Stretch-induced wrinkling of polyethylene thin sheets: Experiments and modeling. International Journal of Solids and Structures, 51(9), 1847-1858.
[11]Nayyar, V., Ravi-Chandar, K., & Huang, R. (2011). Stretch-induced stress patterns and wrinkles in hyperelastic thin sheets. International Journal of Solids and Structures, 48(25-26), 3471-3483.
[12]Flores-Johnson, E., Rupert, T. J., Hemker, K. J., Gianola, D. S., & Gan, Y. (2015). Modelling wrinkling interactions produced by patterned defects in metal thin films. Extreme Mechanics Letters, 4, 175-185.
[13]Zhang, Y., Matsumoto, E. A., Peter, A., Lin, P. C., Kamien, R. D., & Yang, S. (2008). One-step nanoscale assembly of complex structures via harnessing of elastic instability. Nano Letters, 8(4), 1192-1196.
[14]Okumura, D., Inagaki, T., & Ohno, N. (2015). Effect of prestrains on swelling-induced buckling patterns in gel films with a square lattice of holes. International Journal of Solids and Structures, 58, 288-300.
[15]Wagner, H. (1929). Flat sheet metal girder with very thin metal web. Part: I, Zeitschrift fur Flugtechnik und Motorluftschiffahrt, 20, 100-207,.
[16]Zhang, G. P., Sun, K. H., Zhang, B., Gong, J., Sun, C., & Wang, Z. G. (2008). Tensile and fatigue strength of ultrathin copper films. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 483-84, 387-390.
[17]Sim, G. D., Lee, Y. S., Lee, S. B., & Vlassak, J. J. (2013). Effects of stretching and cycling on the fatigue behavior of polymer-supported Ag thin films. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 575, 86-93.
[18]Klein, M., Hadrboletz, A., Weiss, B., & Khatibi, G. (2001). The ‘size effect’on the stress–strain, fatigue and fracture properties of thin metallic foils. Materials Science and Engineering: A, 319, 924-928.
[19]Ben-David, E., Tepper-Faran, T., Rittel, D., & Shilo, D. (2014). A large strain rate effect in thin free-standing Al films. Scripta Materialia, 90-91, 6-9.
[20]Packman, P. F. (1975). The role of interferometry in fracture studies. Experimental techniques in fracture mechanics, 2, 59-87.
[21]Smith, C. (1975). Use of three dimensional photoelasticity and progress in related areas. Experimental techniques in fracture mechanics, 2, 3-58.
[22]Lanning, W. R., Johnson, C. E., Javaid, S. S., & Muhlstein, C. L. (2019). Mode I steady-state crack propagation through a fully-yielded ligament in thin ductile metal foils. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 101, 141-151.
[23]Hirakata, H., Nishijima, O., Fukuhara, N., Kondo, T., Yonezu, A., & Minoshima, K. (2011). Size effect on fracture toughness of freestanding copper nano-films. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 528(28), 8120-8127.
[24]Hirakata, H., Yoshida, T., Kondo, T., & Minoshima, K. (2016). Effects of film thickness on critical crack tip opening displacement in single-crystalline and polycrystalline submicron Cu films. Engineering Fracture Mechanics, 159, 98-114.
[25]Kondo, T., Hirakata, H., & Minoshima, K. (2017). Thickness effects on fatigue crack propagation in submicrometer-thick freestanding copper films. International Journal of Fatigue, 103, 444-455.
[26]Thouless, M. D., Olsson, E., & Gupta, A. (1992). Cracking of brittle films on elastic substrates. Acta metallurgica et materialia, 40(6), 1287-1292
連結至畢業學校之論文網頁點我開啟連結
註: 此連結為研究生畢業學校所提供,不一定有電子全文可供下載,若連結有誤,請點選上方之〝勘誤回報〞功能,我們會盡快修正,謝謝!
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
無相關期刊