研究背景與文獻回顧

第一章 序論

1.1 研究動機

複合材料(Composites)具有高度剛性、高強度、質量輕、耐高溫、抗腐 蝕等特性，近年來備受重視，並且在許多方面更替了傳統的金屬或是陶瓷 材料，已被廣泛地運用於不同工程領域上如航太工業、汽車工業、電子封 裝及運動用品等。而許多補強材料(Reinforcement)與高分子基材(Polymer matrix)的組合已陸續被研發以及應用，近十年來，由於奈米科技的蓬勃發 展，各種材料皆以奈米尺寸為目標，藉由分散技術將奈米尺寸的補強材料 散佈於基材中，此類材料被稱之為奈米複合材料(Nanocomposites)。高分子 複合材料中具有高阻尼(High damping)性能的基材以及異質的補強材料來 消耗振動中的能量，而常見的奈米補強材料有球狀的(Spherical)奈米粉體、

板狀(Platelet)的石墨以及管狀(Tube)的碳管等，藉由奈米補強材料的添加，

可使基材在物理性質以及化學性質上有明顯的增益，此類材料已成為學術 界、工業界熱門的研究發展方向。

1.2 研究背景與文獻回顧

在過去研究奈米碳管複合材料阻尼性質(Damping behavior)之文獻中 [1-7]，藉由拉伸試驗(Tensile test) 、拉伸壓縮試驗(Tension and compression test)、自由振動試驗(Free vibration test) 以及外力振動試驗(Force vibration

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test)，量測複合材料之儲存模數E^’(Storage modulus)、損失模數E^’’(Loss modulus)以及損失因子(Loss factor)，並探討在頻率及應變量等因素改變之 下，奈米碳管複合材料之阻尼性質變化。此外，動態黏彈機械分析(Dynamic mechanical analysis, DMA)也常被應用至量測阻尼性質[8-17]，並探討在溫度、

頻率及應變量等不同機制改變下，複合材料的阻尼性質之變化。在文獻回 顧中，著重在加入奈米纖維或管狀補強材料後對阻尼性質的影響，首先回 顧對複合材料改變應變量之實驗文獻，接著說明對複合材料改變溫度之實 驗文獻，最後介紹關於奈米碳管複材之模擬文獻。

Suhr等人[1]在聚碳酸脂(Polycarbonate)基材中加入1.5wt%單壁奈米碳 管，在拉伸範圍為1.2%之下進行動態黏彈機械分析，發現隨著試片拉伸之 應變量增加，純樹脂之損失模數並不改變，但奈米碳管複合材料之損失模 數上升，最大值時約為原本之3倍。

Dai和Liao[2]在樹脂基材中加入奈米碳管，在不同剪應變量下進行動態 黏彈機械分析，發現奈米碳管複合材料隨著剪應變量增加，純樹脂損失因 子改變量並不大，但奈米碳管複材隨之上升，在複材達到最大值之剪應變 量下，提高為純樹脂之20倍，其後當應變量繼續上升，損失因子反而下降 產生明顯之峰值。

Ogasawara等人[3]在聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone, PEEK)中加入多 壁奈米碳管，在室溫下進行懸壁樑振動試驗(Cantilever beam vibration test)，

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發現隨著多壁奈米碳管的含量增加至15%，損失模數在最大值時比起純樹脂 增加約1.2倍。此外，控制應變量範圍在0.5%內，隨著振幅增加，當試片上 下緣之應變量提升，複材損失模數之最大值為初始值之3.5倍。

Zhou等人[4]在環氧樹脂中加入了單壁奈米碳管，在室溫下進行懸壁樑 振動試驗，發現隨著振動的振幅增加，阻尼比(Damping ratio)也隨之增加，

其最大值提升至6.5倍，其後振幅繼續增加，但阻尼比反而下降產生明顯之 峰值。並且也發現阻尼性質會隨著單壁奈米碳管的含量提升，在碳管含量 為1wt%的複合材料中，其阻尼比最大值較碳管含量為0.5wt%之複合材料高 出2倍。

Koratkar等人[5]在雙酚A-聚碳酸酯(Bisphenol-A-polycarbonate)中加入 了未改質以及氧化(Oxidized)改質之單壁奈米碳管，在室溫下進行動態黏彈 機械分析，發現加入2wt%之改質碳管時，整體複材的損失模數最高，其最 大值分別高出加入1wt%之改質碳管、1wt%之未改質碳管以及純樹脂2.3倍、

4倍以及11.5倍。此外，控制應變量範圍在1.2%內，加入2wt%之改質碳管複 合材料，隨著拉伸應變量的增加，損失模數隨之上升，其最大值比起未拉 伸之複合材料增加至11倍。

Khan等人[6]在環氧樹脂中加入0.5%以及1%之多壁奈米碳管，在室溫下 振幅在10mm至40mm之間進行懸壁樑振動試驗，隨著振幅上升，阻尼比也 隨之上升，其最大值提升至初始之1.2倍，此外，當最大振幅固定在40mm

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時，加入1%奈米碳管之複合材料其阻尼比，約為加入0.5%碳管之複合材料 以及純樹脂的1.3倍以及1.5倍。

由以上文獻發現，奈米碳管複合材料會因受力變形後，應變量增加而 產生更好之阻尼性質。Rajoria和Jalili[7]使用黏著滑動 (Stick-slip) 理論來對 碳管複合材料其阻尼性質隨拉伸應變大幅增加的現象加以解釋，其中增加 的阻尼性質來自於奈米碳管與基材的交界面因應變量增加所產生的滑動現 象以及界面之間的剪切應力消粍了更多的能量所造成。此外，當奈米碳管 與基材間的鏈結若越弱時，受到相同外力作用時會產生更大的相對滑動距 離，進而消粍更多的能量，所以能得到更好的阻尼性質。當碳管與基材間 的鏈結較強時，滑動需要更大的剪切應力，所以改質後的碳管複合材料若 有足夠的外力作用之下，可以得到更好的阻尼性質。

Ramanathan 等 人 [8] 在 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 (Poly-methyl methacrylate, PMMA) 中 加 入 1wt% 已 改 質 以 及 未 改 質 的 單 壁 奈 米 碳 管 (Single-walled carbon nanotube, SWNT)，在室溫至170℃的範圍內進行動態黏彈機械分析，

發現隨著溫度增加，純樹脂試片、已改質以及未改質之單壁奈米碳管複合 材料之損失因子快速上升，至玻璃轉換溫度(Glass transformation temperature) 時達到最高點，均約為純樹脂室溫時的10倍。

Mitchell等人[9]在聚甲基丙烯酸甲酯中加入0.014wt%的單壁奈米碳管，

在-150℃~100℃的溫度範圍內進行動態黏彈機械分析，隨著溫度的增加，損

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失因子上升至3倍，且加入碳管後之損失因子比起純樹脂高出1.2倍。

Fisher等人[10]在聚碳酸脂中加入含量為1wt%以及2wt%之多壁奈米碳 管(Multi-walled carbon nanotube, MWCNT)，在室溫至180℃的溫度範圍內進 行動態黏彈機械分析，發現隨著溫度增加，損失模數上升約15倍，另外也 發現，在溫度約為70℃時，含量為1wt%之複合材料其損失模數約為純樹脂 的2倍。

Jang 等 人 [11] 在 環 氧 樹 脂 (Epoxy) 中 ， 添 加 奈 米 級 碳 纖 維 (Carbon nanofiber, CNF)與微米級二氣化矽(Silicon dioxide, SiO₂)球型顆粒，奈米級碳 纖維半徑及長度尺寸分別界於200-500nm及10-40μm之間，球型顆粒半徑約 等於12μm。在-50℃~130℃之間進行動態黏彈機械分析，發現隨著補強材料 含量增加能提升複合材料的阻尼性質，在室溫下添加物含量為3wt%(Weight fraction)的二氧化矽與3wt%的碳纖維時，與純環氧樹脂相較下提高阻尼損失 因子高達15.6%，並且得到加入管狀的補強材普遍可以得到比加入球狀顆粒

        ong等人[12]在聚合物(Polymer)基材中加入 Gong等人[12]在聚合物(Polymer)基材中加入1wt%之奈米碳管，並在-60

℃~100℃間進行動態黏彈機械分析，發現奈米碳管複合材料之玻璃轉換溫 度從63℃大幅提升至88℃，並且損失因子比起純樹脂高出1.6倍。

Thostenson和Chou[13]在聚苯乙烯(Polystyrene)中加入5wt%多壁奈米碳 管，並利用擠壓的技術將奈米碳管在基材中排列成軸向(Aligned)，與隨機分

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散的奈米碳管複合材料在0~120℃間，進行拉伸動態黏彈機械分析。發現隨 著溫度上升，損失模數上升至6倍。

Gojny和Schulte[14]在樹脂中加入了0.05~0.75wt%之多壁奈米碳管，在 -120℃~160℃之間進行動態機械熱分析(Dynamic-mechanic thermal analysis, DMTA)，並比較氨基改質以及無改質之多壁奈米碳管複合材料之差異。發 現隨著溫度上升，損失模數上升，此外隨著含量增加，損失模數也會跟著 上升，分別在無改質碳管含量為0.25wt%以及改質碳管含量為0.1wt%時損失 的能量為最大，均約為純樹脂之8.5倍。

Ramamurthy等人[15]在聚苯胺(Polyaniline, PANI)基材中加入多壁奈米 碳管，在100℃~250℃之間進行動態機械熱分析，發現溫度上升以及含量提 升，在含量為1wt%時損失因子達到最大，約為室溫時的20倍以及同溫度時 純樹脂之1.8倍。

Xiong等人[16]在聚氨脂(Polyruethane, PU)基材中加入多壁奈米碳管，在 -100℃~50℃之間進行動態機械熱分析，發現在多壁奈米碳管含量為2wt%時，

損失因子高出純樹脂約10倍，且玻璃轉換溫度由-5.4℃提升至6.2℃。

Ma等人[17]在環氧樹脂中加入硅酮(Silane)改質多壁奈米碳管以及未改 質之多壁奈米碳管，在室溫至170℃進行動態黏彈機械分析，發現隨著溫度 的提升，整體複合材料之損失因子也隨之提升，在到達玻璃轉換溫度時，

在加入0.5%之未改質碳管時，有最好的阻尼性質，約為室溫時之20倍。另

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外發現加了0.5%未改質碳管比起加入0.05%之改質碳管的阻尼性質高出1.5 倍。

由以上文獻皆可以發現在玻璃轉換溫度時，複合材料會因基材間的流 動性提高，而損失更多的能量，損失模數因此而快速升高，產生更好的阻 尼性質，且加入奈米碳管後，在玻璃轉換溫度時，整體複合材料之阻尼性 質也比純樹脂來得略高。比較兩部份之實驗文獻，發現奈米碳管複合材料 若施加外力，使碳管與基材間產生摩擦現象，複合材料之阻尼性質對比於 純樹脂基材將呈倍數成長，但相較之下，若是在溫度改變之下，碳管複合 材料比起純樹脂所提升的阻尼性質並不會太大。

在阻尼性質的研究上，除了動態黏彈機械分析以及各種試驗方法外，

也 有 許 多 研 究 使 用 解 析 模 型(Analytic solution)以 及 數 值 分 析 (Numerical analysis)方法來預測複合材料的阻尼性質[4, 18-26]。

在Zhou等人[4]的研究中，利用解析模型將碳管滑動所消粍的能量等效 為一損失因子，將此損失因子當成已滑動碳管之材料性質，並與未滑動之 碳管兩種材料添加至樹脂基材中，利用Mori-Tanaka模型計算整體複合材料 之阻尼損失因子，發現當已滑動碳管所佔體積比提升，整體複合材料之阻 尼性質也大幅度的提升。

Liu等人[18]在環氧樹脂中加入改質單壁奈米碳管束，並利用黏著-滑動 的概念建立微觀力學模型，考慮內碳管與外層碳管之間以及外層碳管與基

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材間的摩擦行為，討論施加外應力對阻尼性質之影響。發現加入碳管束之 後的複合材料隨著拉伸應力增加，其損失因子提升6倍。並比較碳管軸向排 列以及隨機排列的複合材料，發現軸向排列之奈米碳管複合材料，其阻尼

材間的摩擦行為，討論施加外應力對阻尼性質之影響。發現加入碳管束之 後的複合材料隨著拉伸應力增加，其損失因子提升6倍。並比較碳管軸向排 列以及隨機排列的複合材料，發現軸向排列之奈米碳管複合材料，其阻尼