研究背景與文獻回顧

近年來複合材料已經由軍事及航太科技發展到各個不同領域 上，因此複合材料已經成為不可獲缺的領域，複合材料主要是由補強 材(Reinforcement)與基材(Matrix)所組成，其中補強材主要分為玻璃纖 維(Glass fiber)與碳纖維(Carbon fiber)，而基材部分主要分為熱塑性 (Thermoplastic)與熱固性(Thermosetting)兩大部分，然而經由纖維與基 材混合來增加其機械性質已經達到有限的提升，為了更進一步的提升 性質，添加粉體的方式來改善基材與纖維之間的強度，使得在環氧樹 脂中添加粉體已經成為複合材料界中為一研究之走向。

Qiu 等人[1]利用真空佐以樹脂轉注法(VARTM)的製作方法添加 改質與未改質之多壁奈米碳管於玻璃纖維/樹脂複合材料，並且測試 纖維方向與側向的機械性質，經由測試結果發現當添加未改質之奈米 碳管雖然其材料模數 E1 與材料模數 E2 皆有上升，但其破壞強度卻 沒有明顯提升，主要是由於未改質的奈米碳管本身與樹脂無法有良好 的鍵結，但是將經過改質之奈米碳管添加於玻璃纖維/樹脂複合材料 之後其機械性質皆有所提升，主要是由於經過改質之碳管與玻璃纖維 會有良好的鍵結，所以可以使機械性質有效提升。Bekyarova 等人[2]

探討未添加奈米碳管之碳纖維/樹脂複合材料與添加多壁之奈米碳管 於碳纖維/樹脂複合材料之機械性質，利用電泳法將奈米碳管附著於 碳纖維表面，再利用真空佐以樹脂轉注法(VARTM)的製作方法將樹脂 滲入於碳纖維，並且測試材料模數與剪應力，雖然使材料模數有明顯 提升，但是在剪應力之強度卻沒有明顯的提升，這個結果和[1]未改 質之奈米碳管的測試結果相似。

Zheng 等人[3]添加奈米級二氧化矽於玻璃纖維/環氧樹脂，並且 探討添加不同含量之二氧化矽，經由拉伸實驗和壓縮實驗以及剪力實 驗探討其機械性質，並且可以由結果發現隨著二氧化矽添加量之增加 其強度也隨著上升，當添加量達到7wt%時拉伸強度上升了 24%，這 結果顯示出添加二氧化矽的確可以使強度提升，但是當添加 5wt%含 量時拉伸應力雖然有明顯提升，但是卻造成剪應力下降，經由分析結 果判斷出有可能是二氧化矽之添加量已經超過飽和，而使得剪力強度 得到反效果的現象。

Kinloch 等人[4]經由添加雙粉體的方式增加其機械性質，並且進 行第一模式破壞韌性試驗，當添加奈米級二氧化矽含量11.1wt%時，

其破壞韌性提升 100%；添加微米級橡膠(Hycar CTBN 1300x8)含量 9wt%，其破壞韌性提升 88%；最後經由添加奈米級二氧化矽含量 10.5wt%與微米級橡膠 9wt%的方式進行破壞韌性測試，其破壞韌性

提升 237%，Kinloch 等人[5]和[4]添加相同類型的粉體，並且將基材 經由真空佐以樹脂轉注法(VARTM)的製作方法滲入於碳纖維中，進行 揚氏模數及第一模態破壞韌性試驗(Mode I fracture Toughness Test, GIC)，探討添加於碳纖維後之機械性質，當添加奈米級二氧化矽含量 11.9wt%於碳纖維時，其積層間破壞韌性提升了 11%；接著添加微米 級橡膠(Hycar CTBN 1300x8)9wt%含量於碳纖維後，其積層間破壞韌 性提升 139%；最後經由添加奈米級二氧化矽含量 10.5wt%與微米級 橡膠9wt%的方式進行破壞韌性測試，其積層間破壞韌性提升 200%，

這種添加雙粉體的作法不但可以改善因添加橡膠造成基材變韌的現 象，更可以提升其破壞韌性獲得雙重效果。

Kinloch 等人[6]針對奈米級二氧化矽及微米級橡膠於基材和玻璃 纖維中，進行破壞韌性實驗和熱性質測試，對於破壞韌性皆有所提升 並且不會影響玻璃轉移溫度(Tg)，由破壞韌性結果可以發現添加二氧 化矽或橡膠時其韌性皆有所提升，當添加雙重顆粒(Hybrid)時，基材 之破壞韌性提升1000%遠高於添加於玻璃纖維中之提升比例 160%，

其原因為纖維限制了基材的塑性變形區，而使破壞韌性之提升受到影 響。

Siddiqui 等人[7]探討添加有機黏土在碳纖維/環氧樹脂複合材料 的影響，利用緊湊拉伸試驗(Compact tension test, CT)及第一模態破壞

韌性試驗(Mode I fracture Toughness Test, GIC)探討其機械性質，並且 利用穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)觀察 有機黏土在碳纖維/環氧樹脂複合材料上的分散情形，並且添加不同 有機黏土含量，在緊湊拉伸試驗中，當有機黏土添加量為 7wt%時其 基材之破壞韌性提升了60%，主要的原因是有機黏土有效的阻礙了缺 陷之成長；將有機黏土含量 7wt%添加於碳纖維並進行破壞韌性試 驗，可以發現其積層間破壞韌性提升50%，並且透過掃描式電子顯微 鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)觀察試片之側面裂縫，可以發 現隨著有機黏土含量增加時，其基材與碳纖維的附著力越強，使得缺 陷成長由原本的基材與碳纖維之介面轉為基材間的破壞，並且可以由 [4]、[5]、[6]及[7]的結果發現，在[4]、[5]及[6]中添加相同含量之二氧 化矽其破壞韌性於基材時比添加於纖維之破壞韌性明顯的提升許 多，而[7]添加有機黏土於基材與添加於碳纖維之破壞韌性上升之比 例是相近的。

Sprenger 等人[8]研究出使材料之機械性質更好及低價位的方 式，經由添加奈米級二氧化矽粉體雖然可以使強度上升，但也造成材 料變的更脆性，為了彌補這一個缺點，經由添加微米級橡膠(CTBN) 並且經由第一模態破壞韌性試驗(Mode I fracture Toughness Test, GIC)，經由真空佐以樹脂轉注法(VARTM)的製作方法將環氧樹脂含浸

於碳纖維，經由測試結果發現添加 11.2wt%之二氧化矽其基材之破壞 韌性提升了270%當添加 12%wt 之二氧化矽於玻璃纖維時其積層間破 壞韌性提升了36%，並且可以由結果發現經由添加雙粉體的方式可以 增強其機械性質，其結果和[4]及[5]的趨勢雷同。

Cho 等人[9]利用超音波震盪器將奈米級碳板混於碳纖維/環氧樹 脂中，並且利用拉伸實驗及壓縮實驗測試添加奈米粉體對機械性質的 影響，拉伸實驗為測試纖維偏軸 10 度之剪應力，當奈米碳板添加量 達到 5wt%時其剪應力提升 11%，接著再經由壓縮實驗探討纖維偏軸 4 度之壓縮應力，經由結果發現添加奈米碳板添加量達到 5wt%時其 強度提升16%，可以發現在拉伸試驗以及壓縮試驗中其強度隨著添加 量的上升強度也隨之提升，其主要的原因是經添加奈米碳板後使基材 與纖維之間的附著力變的更強，所以強度也隨著提升。

Guo 等人[10]探討添加不同含量之奈米級二氧化矽於環氧樹脂，

經由靜態壓縮實驗與動態壓縮實驗測試不同應變率之壓縮應力，由結 果發現不同之應變率及奈米粉體之分散性皆會影響其機械性質，並且 可以發現添加奈米粉體於高應變率測試之破壞應力明顯比未添加粉

體之破壞應力提升許多，但是在低應變率測試時卻沒有明顯的提升。

Becker 等人[11]探討添加奈米級二氧化矽於碳纖維/環氧樹脂對 於破壞韌性的影響，經由添加不同二氧化矽含量 2.5wt%、5wt%、

7wt%，利用第一模態破壞韌性試驗(Mode I fracture Toughness Test, GIC)進行測試，由結果發現添加二氧化矽後其破壞韌性皆有提升，其 中含量為5wt%時提升比例達 88%，主要原因為添加二氧化矽增強纖 維與基材之間的附著力以及基材產生塑性變形抑制裂紋的延伸。

Yan 等人[12]探討添加液態橡膠(CTBN)及雙球殼橡膠(Core shell rubber, CSR)於碳纖維中，利用緊湊拉伸試驗(Compact tension test, CT) 及第一模態破壞韌性試驗(Mode I fracture Toughness Test, GIC)探討其 機械性質，當添加 CSR 含量 15wt%時，基材之破壞韌性提升約 1800%，在添加相同比例於碳纖維中其破壞韌性僅提升 50%遠低於基 材的提升比例，其原因歸咎於基材之周圍的纖維而影響塑性變形的範 圍，並由掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)觀察 其破壞面，在添加橡膠 CTBN 時，其破壞面由塑性剪力變形產生撕 裂的條紋，而添加橡膠 CSR 時，破壞面變得非常粗糙(Rough)並有許 多空穴(Cavitation)的產生，而這些現象皆有助於抑制裂紋的延伸。

Walter 等人[13]探討在基材與纖維中破壞韌性提升比例之影響，

其中添加於纖維中其破壞韌性提升比例會逺低於基材之提升比例，主 要受限於基材周邊的纖維，而使塑性變形區域受到限制，並用掃瞄式 電子顯微鏡(SEM)觀察延性(Ductile)與脆性基材(Brittle)於碳纖維中之 破壞情形，當使用延性基材於纖維中其裂紋延伸於基材中，而脆性基

材於纖維中其裂紋延伸於纖維與基材之界面上。

Jang 等人[14]分別添加微米級橡膠 CTBN 與 ATBN 於碳纖維中進 行破壞韌性及層間剪力(Interlaminar shear strength, ILSS)的測試，添加 CTBN 含量 10%其破壞韌性提升 5%，而添加相同含量之 ATBN 其破 壞韌性提升50%，在層間剪力試驗中添加 CTBN 含量 10 wt %時卻下 降 38%，而添加相同含量之 ATBN 提升 20%，利用掃瞄式電子顯微 鏡(SEM)觀察試片之破壞機制，發現添加 ATBN 後基材表面的粗糙度 以及基材與纖維之間的附著力，皆比添加CTBN 時來的明顯。Sun 等 人[15]探討添加雙球殼橡膠(CSR)及有機黏土(Clay)進行破壞韌性測 試，由結果發添加雙球殼橡膠含量5wt%時破壞韌性提升 77%，而使 用雙重顆粒(Hybrid)僅提升 25%，利用掃瞄式電子顯微鏡觀察破壞 面，在雙球殼橡膠中產生的空穴(Cavitation)最為密集，然而空穴有效 抑制裂紋延伸而使破壞韌性達到增益的效果，並且由原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM)得知在添加雙球殼橡膠之破壞面其 粗糙度最為明顯。

Johnsen 等人[16]探討添加奈米級二氧化矽對於破壞韌性的影 響，添加二氧化矽不影響玻璃轉移溫度(Tg)，但在揚氏模數及破壞韌 性上卻呈現大幅度增益效果，當二氧化矽含量為 13.4vol%其破壞韌性 提升360%，由掃瞄式電子顯微鏡(SEM)及原子力顯微鏡(AFM)觀察其

破壞機制，其破壞機制為基材塑性變形(Plastic deformation)、裂紋抑 制(Crack pinning)、裂紋偏折(Crack deflection)。