第四章 結果與討論
4.2 石墨烯/樹脂複合材料機械/物理性質的討論
4.2.1 勢能函數正確性之驗證
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在此使用 Compass 勢能函數描述樹脂，為了確認此勢能函數描述樹脂 之正確性，我們模擬樹脂之楊氏係數與玻璃轉換溫度並與文獻實驗結果進 行比較。首先進行拉伸模擬，其模擬結果顯示，樹脂三方向楊氏係數 Ex、 Ey與Ez分別為3.04GPa、3.36GPa 與 3.08GPa，在此將三方向楊氏係數平均 視為樹脂之楊氏係數，其平均值為3.16GPa，文獻[63]其實驗值約 3.24GPa。
接著由3.2.2 小節方法將此結構進行降溫，記錄不同溫度下樹脂之密度，如 圖 4.10 所示，由溫度與密度關係圖之斜率轉折處視為玻璃轉換溫度，可觀 察其玻璃轉換溫度約為380K，文獻[64]實驗值其玻璃轉換溫度約為 377K，
最後計算樹脂熱膨脹係數，其模擬結果之熱膨脹係數約為 123.7×10-6/k，文 獻[65]實驗樹脂之熱膨脹係數約為 122×10-6/k，上述模擬所得之楊氏係數、
玻璃轉換溫度與熱膨脹係數均與實驗值十分接近，表示 Compass 力場能準 確地描述樹脂之機械/物理性質，故本研究在樹脂中選用 Compass 勢能函數 來進行分子動力的模擬分析。
4.2.2 石墨烯的添加對樹脂幾何和結構的影響
此小節討論添加石墨烯對樹脂幾何與結構的差異，首先由將群聚石墨 烯、分散石墨烯、分散表面改質石墨烯奈米複合材料沿著 Z 方向進行密度 分布的統計，圖 4.11 為樹脂在群聚石墨烯複合材料中密度分佈的情況，其 中虛線表示樹脂平均密度，可觀察樹脂在靠近石墨介面時密度出現最大值，
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其密度約為1.8g/cc，當樹脂遠離介面時其平均密度約 1.24g/cc，其圖上虛線 代表平均密度，並與實驗密度值 1.23g/cc[63]相近；在分散石墨烯複合材料 也有類似情形，圖 4.12、圖 4.13 分別為分散石墨烯複合材料與分散表面改 質石墨烯複合材料中樹脂密度分佈的情況，依然可觀察到當高分子鏈接近 石墨烯時密度會高於分子鏈的平均密度，顯示添加石墨烯可使介面之樹脂 密度提升。接著討論三組平衡結構中樹脂方向性的分布，圖 4.14、圖 4.15 與圖 4.16 分別為群聚、分散與分散表面改質石墨烯複合材料中分子鏈秩序 函數(Order parameter)的分佈情況，可發現當樹脂靠近石墨烯時秩序函數的 值接近-0.5，這表示高分子鏈平貼在石墨烯表面；但當高分子鏈遠離石墨烯 時所計算的值接近0，呈現無序(random)的分佈情況。此模擬結果與聚酰亞 胺複合材料結果類似。當高分子靠近石墨烯時，由於石墨烯的存在使其周 圍的高分子鏈介面間的密度所提升，且高分子有較規則的排列，因此分散 良好的石墨烯有較大的機會影響其高分子鏈的密度與方向性，以提升其奈 米複合材料之機械/物理性質。
4.2.3 石墨烯的分散性與表面改質對複材之機械/物理性質的討論
在此針對群聚、分散以及分散表面改質石墨烯奈米複合材料進行機械 性質討論。由 3.2.2 小節分別將三組樹脂奈米複材分子模型進行拉伸模擬，
計算三組結構模型的楊氏係數。其結果列於表 8 所示，可發現在不同分散
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程度石墨烯之奈米複合材料中，分散石墨烯奈米複材的楊氏係數高於群聚 石墨烯奈米複材，此外，在分散石墨烯奈米複合材料中，表面改質石墨烯 奈米複合材料的楊氏係數高於未改質石墨烯奈米複合材料。由表 8 可觀察 到石墨烯奈米複合材料的楊氏係數皆高於純高分子基材。
第二部分則是討論三組樹脂奈米複材分子模型的玻璃轉換溫度與熱膨 脹係數，模型包含群聚、分散、分散表面改質石墨烯奈米複合材料，圖4.17 為分別三組模型溫度與密度之關係圖，其斜率轉折處為玻璃轉換溫度，表8 為不同模型之玻璃轉換溫度，可知單純高分子、群聚、分散、分散表面改 質石墨烯奈米複合材料玻璃轉換溫度分別為380K、390K、400K 以及 400K，
添加石墨烯可有效的提升玻璃轉換溫度，且當石墨烯分散良好且有表面改 質時其玻璃轉換溫度有較明顯之提升。在此，我們也討論熱膨脹係數，模 擬結果列於表8，其中熱膨脹係數包含了體膨脹係數與線膨脹係數，同樣的 可發現單純樹脂之熱膨脹係數最高，分散改質石墨烯奈米複材有較低的熱 膨脹係數。
由上述的模擬結果，了解以石墨烯作為補強材料可提升複合材料的楊 氏係數、玻璃轉換溫度，且降低奈米複合材料的熱膨脹係數，此外，由文 獻實驗結果[17, 18, 66-68]，顯示添加石墨烯於樹脂基材中可有效地提升其 楊氏係數及玻璃轉換溫度並降低熱膨脹係數，詳細機械性質提升之結果列 於表10。基本上，本研究模擬結果與實驗值具有相同的趨勢。
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4.2.4 表面改質石墨烯對樹脂複合材料介面強度之影響
在此由3.2.3 小節之方法進行石墨烯抽出樹脂之模擬，比較單純石墨烯、
表面改質石墨烯其介面的相對剪切應力與互動能量，藉著石墨烯抽出的模 擬，可統計不同抽出距離下石墨烯與樹脂的互動能量，圖 4.18 分別比較單 純石墨烯與表面改質石墨烯在不同抽出距離下之互動能量，可觀察當石墨 烯完全埋入高分子中時，有最高之互動能量，當石墨烯完全抽離高分子時 互動能量為零，並觀察表面改質石墨烯有較高之互動能量。此外藉由抽出 模擬來分析石墨烯與高分子間介面剪切應力，如表 9 所示，結果說明表面 改質石墨烯有較高之剪切應力，當互動能量越高時，使得介面剪切應力有 所提升。
在這裡我們可以瞭解到表面改質石墨烯與基材有較高的互動能量，且 較高的能量可增強石墨烯與基材介面間負載傳遞效率，進而改善其機械/物 理性質。
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