本研究探討奈米級二氧化矽對於玻璃纖維/環氧樹脂複合材料之 機械性質的影響，分別進行剪應力、靜態/動態壓縮實驗及破壞韌性 實驗，其中破壞韌性實驗中探討二氧化矽於延性基材與脆性基材之機 械性質，並且於脆性基材中添加橡膠做更深入的探討，最後以電子顯 微鏡觀察試片之內部的破壞情形並探討其破壞機制，其結果如下所 述。
1.在剪應力及靜態/動態壓縮實驗中，添加二氧化矽有助於增加纖 維與基材之間的附著力，而使機械強度提升，在壓縮實驗中，其破壞 強度增加趨勢在靜態/動態壓縮並無差異，在添加二氧化矽含量為 30wt%時增加強度最為明顯。
2.添加二氧化矽於延性基材中，破壞韌性提升現象並不明顯反而 有下降的趨勢，然而添加二氧化矽於脆性基材中，由電子顯微鏡觀察 試片得知裂紋路徑變的複雜而使破壞韌性提升；添加 CTBN 橡膠及 CSR 橡膠於脆性基材中皆有助於提升破壞韌性，增加比例分別為 22%
及100%，在雙重粉體中，由於添加 CSR 後其基材破壞韌性已達飽和 狀態，將二氧化矽與 CSR 相混合後卻得到反效果，但將二氧化矽與 CTBN 相混合後，由於添加 CTBN 時其破壞韌性未達飽和值，以致於
添加二氧化矽後可以提升破壞韌性。在破壞韌性當中，欲添加二氧化 矽來改善破壞韌性時，首先要先瞭解未添加二氧化矽時其破壞韌性的 最大值，在本研究當中破壞韌性之極限值為 1.55kJ/m2，當破壞韌性 已經達到極限值時添加二氧化矽將會造成反效果，而使破壞韌性下 降，若破壞強度未達最大值時，添加二氧化矽才會有提升的效果。
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表2-1 環氧樹脂/硬化劑以及添加不同含量之補強材 Hardener
Epoxy
D-230 H-100 Silica_5wt% Silica_10wt%
Silica_10wt% Silica_20wt%
Silica_20wt% ATBN_10wt%
Silica_30wt% CTBN_10wt%
CSR_10wt%
Silica_10wt%_CTBN_10wt%
Silica_10wt%_ATBN_10wt%
DGEBA(C-1532)
Silica_10wt%_ CSR_10wt%
表3-1 5 層單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料 板之規格大小與二氧化矽含量及硬化過程壓力對照表
Silica content (wt%) Dimension(mm3) Pressure(Psi)
0 300*300*1.42 8.0 5 300*300*1.46 8.0
10 300*300*1.44 8.2 20 300*300*1.48 8.0
表3-2 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料在受力 方向與纖維方向呈10°偏軸的拉伸破壞強度與二氧化矽含量對照表
Silica content (wt%) In-plane shear strength (MPa)
0_1 23.29 0_2 24.53 0_3 25.16
5_1 27.68
5_2 27.73
10_1 29.95 10_2 30.54
20_1 30.77
20_2 28.77
20_3 30.14
20_4 28.97
20_5 29.30
20_6 30.86
表3-3 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料在受力 方向與纖維方向呈10°偏軸的拉伸破壞強度平均值和強度增加比例與
二氧化矽含量對照表
Silica content (wt%) In-plane shear strength (MPa) Increment (%)
0 24.3 -
5 27.7 14
10 30.3 25
20 29.8 23
表 3-4 22 層單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料 板之規格大小與二氧化矽含量及硬化過程壓力對照表
Silica content (wt%) Dimension(mm3) Pressure(Psi)
0 190*90*6.18 8.0 10 190*90*6.15 8.0
20 190*90*6.13 8.0 30 190*90*6.15 8.0
表3-5 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料在動態 壓縮實驗之各角度破壞強度及應變率
Fiber orientation Compressive Strength(MPa) (Strain rate(1/s))
0 673
表3-6 添加二氧化矽含量 10wt%之單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環 氧樹脂奈米複合材料在動態壓縮實驗之各角度破壞強度及應變率
Fiber orientation Compressive Strength(MPa) (Strain rate(1/s))
0 692
表3-7 添加二氧化矽含量 20wt%之單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環 氧樹脂奈米複合材料在動態壓縮實驗之各角度破壞強度及應變率
Fiber orientation Compressive Strength(MPa) (Strain rate(1/s))
0 703
表3-8 添加二氧化矽含量 30wt%之單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環 氧樹脂奈米複合材料在動態壓縮實驗之各角度破壞強度及應變率
Fiber orientation Compressive Strength(MPa) (Strain rate(1/s))
0 717
表3-9 0°之試片在靜態/動態之破壞強度及增加率
表 3-12 15°之試片在靜態/動態之破壞強度及增加率
表 3-14 動態測試中不同纖維角度所設定的參數 Fiber orientation Pressure(Psi) Gain factor 解析度
0 60 650 1V/div
5 50 650 1V/div
10 40 500 500mV/div
15 30 500 500mV/div
90 20 280 280mV/div
表 3-15 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料在靜 態壓縮實驗之各角度破壞強度
Fiber orientation Compressive Strength(MPa)
0 422 429 394
5 223 226 232
10 151 154 157
15 121 116 116
90 46 46 47
表 3-16 添加二氧化矽含量 10wt%之單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/
環氧樹脂奈米複合材料在靜態壓縮實驗之各角度破壞強度
Fiber orientation Compressive Strength(MPa)
0 439 454 464 — 5 256 244 259 — 10 168 152 172 170 15 125 123 122 —
90 53 52 52 —
表 3-17 添加二氧化矽含量 20wt%之單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/
環氧樹脂奈米複合材料在靜態壓縮實驗之各角度破壞強度
Fiber orientation Compressive Strength(MPa)
0 446 426 465
5 268 271 256
10 164 156 169
15 124 122 124
90 46 48 47
表 3-18 添加二氧化矽含量 30wt%之單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/
環氧樹脂奈米複合材料在靜態壓縮實驗之各角度破壞強度
Fiber orientation Compressive Strength(MPa)
0 481 458 450 450 — 5 246 277 281 289 283 10 174 187 180 176 — 15 143 132 139 142 — 90 60 60 59 60 58
表4-1 12 層單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料板 (D-230)之規格大小與添加二氧化矽之硬化過程壓力對照表
Silica content(wt%) Dimension(mm3) Pressure(Psi)
0 250*250*3.22 8.0 10 250*250*3.25 8.5
20 250*250*3.28 8.0
表 4-2 添加二氧化矽及橡膠之 12 層單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/
環氧樹脂奈米複合材料板(H-100)規格大小與硬化過程壓力對照表
Silica content(wt%) Rubber content(wt%) Dimension(mm3) Pressure(Psi)
0 0 250*120*3.26 8.0
10 0 250*120*3.24 8.0
20 0 250*120*3.24 8.0
0 10(CTBN_80°) 250*120*3.22 8.5
0 10(CTBN_120°) 250*250*3.21 8.5 0 10(ATBN) 250*250*3.22 8.5
0 10(CSR) 250*250*3.25 8.0 10 10(CTBN_80°) 250*250*3.22 8.5
10 10(ATNB) 250*250*3.20 8.5 10 10(CSR) 250*250*3.25 8.0
表4-3 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂(硬化劑 D-230)奈米複 合材料在積層間破壞韌性試驗之臨界能量釋放率與二氧化矽含量對
照表
Specimen GIC(kJ/m2)
Pure_1 1.43±0.08 Pure_2 1.57±0.07 Silica_10wt%_1 1.54±0.14
Silica_10wt%_2 1.57±0.12 Silica_10wt%_3 1.55±0.06
Silica_20wt%_1 1.27±0.06 Silica_20wt%_2 1.33±0.06
表4-4 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料(D-230) 在積層間破壞韌性試驗之平均臨界能量釋放率與強度增加比例
Specimen GIC(kJ/m2) Increment(%)
Pure 1.50±0.08 -
Silica_10wt% 1.55±0.02 3
Silica_20wt% 1.30±0.01 -13
表4-5 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂(硬化劑 H-100)奈米複 合材料在積層間破壞韌性試驗之臨界能量釋放率於不同添加二氧化
矽含量及橡膠含量對照表
Specimen GIC(kJ/m2)
Pure_1 0.82±0.13 Pure_2 0.86±0.10 Pure_3 0.79±0.10 Silica_10wt%_1 0.89±0.05
Silica_10wt%_2 0.92±0.04 Silica_10wt%_3 0.90±0.05
Silica_20wt%_1 0.92±0.04 Silica_20wt%_2 0.98±0.07 CTBN_10wt%_80°_1 1.02±0.04
CTBN_10wt%_80°_2 1.01±0.05 CTBN_10wt%_80°_3 0.99±0.02
CTBN_10wt%_120°_1 1.16±0.05 CTBN_10wt%_120°_2 1.14±0.04 CTBN_10wt%_120°_3 1.08±0.04
ATBN_10wt%_1 1.13±0.05 ATBN_10wt%_2 1.18±0.07 ATBN_10wt%_3 1.14±0.06
CSR_10wt%_1 1.66±0.05 CSR_10wt%_2 1.61±0.07 CSR_10wt%_3 1.71±0.10 CTBN _10wt%_ Silica _10wt%_80°_1 1.25±0.04
CTBN _10wt%_ Silica _10wt%_80°_2 1.23±0.08 CTBN _10wt%_ Silica _10wt%_80°_3 1.22±0.03 ATBN _10wt%_ Silica _10wt%_1 1.22±0.01 ATBN _10wt%_ Silica _10wt%_2 1.18±0.05 ATBN _10wt%_ Silica _10wt%_3 1.19±0.06 CSR _10wt%_ Silica _10wt%_1 1.53±0.09 CSR _10wt%_ Silica _10wt%_2 1.59±0.09 CSR _10wt%_ Silica _10wt%_3 1.42±0.07
表4-6 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料(H-100) 在積層間破壞韌性試驗之平均臨界能量釋放率與強度增加比例於不
同添加二氧化矽含量和橡膠含量比較表
Silica content(wt%) Rubber content(wt%) GIC(kJ/m2) Increment(%)
0 0 0.83±0.04 -
10 0 0.90±0.02 8
20 0 0.95±0.03 15
0 10(CTBN_80°) 1.01±0.03 22
0 10(CTBN_120°) 1.13±0.04 36 0 10(ATBN) 1.15±0.03 39
0 10(CSR) 1.66±0.05 100 10 10(CTBN_80°) 1.23±0.02 48
10 10(ATBN) 1.19±0.02 43
10 10(CSR) 1.51±0.09 82
0
1.45mm 300mm
300mm
X
1X
2圖3.1 等向性 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料之外型 示意圖
15mm
200mm 120mm
X2
X1
θ
φ
圖 3.2 拉伸試驗之試片規格
Time(sec)
In-plane shear strength(MPa)
[ ]
10 5圖3.4 根據不同二氧化矽含量相對於拉伸試驗之奈米複合材料 拉伸強度柱狀圖
圖3.5 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料在受力 方向與纖維方向呈10 度偏軸的拉伸試驗後試片破壞情形(由左至右依
序為二氧化矽含量比重為0%；5%；10%；20%)
圖3.6 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料在偏軸 10 度方向經由掃描式電子顯微鏡(SEM)觀測斷裂面破壞情形
圖3.7 添加比重為 20%二氧化矽含量之單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖 維/環氧樹脂奈米複合材料在偏軸 10 度方向經由掃描式電子顯微鏡
(SEM)觀測斷裂面破壞情形
圖3.8 霍普金森桿(SHPB)架構
圖3.9 萬能材料試驗機(MTS)
X
2X
16mm
190mm
90mm
圖3.10 等向性 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料之外 型示意圖
x
16mm
6 mm 8mm
x
2θ
圖3.11 壓縮實驗之試片規格
圖 3.12 霍普金森桿(SHPB)示意圖 Specimen
Striker bar Incident bar Transmission bar Gage Gage Pulse Shaper
N2
Wheatstone bridge circuits Signal conditioning amplifier
Digital oscilloscope
Transmisson bar
Incident barA B C D
Gage A Specimen Gage B
圖3.13 霍普金森桿(SHPB)的量測圖
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 5 10 15 90
Fiber orientation
Compressive Strength(MPa)
Pure
Silica content_10wt%
Silica content_20wt%
Silica content_30wt%
圖3.14 將 SHPB 測試結果平均化並且比較未添加與添加二氧化矽含 量10%、20%、30%在各角度之破壞強度柱狀圖
Time(μs)
Time(μs)
Force(KN)
0 20 40 60 80
0 5 10 15 20 25
P1 P2
圖3.17 被動桿和傳遞桿之力平衡的圖形
Time(μs)
Stress(MPa)
0 20 40 60 80
0 100 200 300 400 500 600
圖3.18 添加二氧化矽含量 20%在纖維方向 5°之時間對應力之曲線圖
Time(μs)
Strain
0 20 40 60 80
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
圖3.19 添加二氧化矽含量 20%在纖維方向 5°之時間對應變之曲線圖
Specimen Tungsten Carbide
圖3.20 萬能材料試驗機(MTS)壓縮測試示意圖
圖3.21 萬能材料試驗機(MTS)壓縮實驗架構
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 5 10 15 90
Fiber orientation
Compressive strength(MPa)
Pure
Silica content_10wt%
Silica content_20wt%
Silica content_30wt%
圖3.22 根據不同角度比較未添加和添加二氧化矽含量 10%、20%、
30%之壓縮破壞強度之柱狀圖
(a) (b)
圖3.23 未添加二氧化矽/添加二氧化矽含量 30%之 0°破壞試片之破壞 機制是屬於微挫屈
圖3.24 添加二氧化矽含量 30%之 0°之破壞試片
(a) (b)
圖3.25 未添加二氧化矽/添加二氧化矽含量 30%之 5°破壞試片之破壞 機制是屬於微挫屈
(a) (b)
圖3.26 未添加二氧化矽/添加二氧化矽含量 30%之 10°破壞試片之破 壞機制是屬於微挫屈
圖3.27 未添加二氧化矽/添加二氧化矽含量 30%之 15°破壞試片之破 壞機制是屬於微挫屈
(a) (b)
圖3.28 未添加二氧化矽/添加二氧化矽含量 30%之 90°破壞試片之破 壞機制是屬於出平面剪應力破壞
圖3.29 單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料經由 掃描式電子顯微鏡(SEM)觀測斷裂面破壞情形
圖3.30 添加二氧化矽含量 30%之單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環 氧樹脂奈米複合材料經由掃描式電子顯微鏡(SEM)觀測斷裂面破壞
X2 250mm
圖4.1 12 層單方向 E-LR 0908-14 玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料板 之示意圖
圖4.2 雙懸臂梁(DCB)試片規格圖
X1 120mm
3.3mm 55mm
20mm P
55mm
55mm