中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：溫濕度效應對單邊搭接黏著劑接合件靜態及疲 勞強度影響之研究
Effect of Temperature/Humidity on the Static and Fatigue Strength of Adhesively Single-Lap Joints
系 所 別：機 械 工 程 學 系 碩 士 班 學號姓名： M09608020
黃
智
勇 指導教授：任 貽 明
博 士
中 華 民 國 九十八 年 八 月
誌 謝
在碩士班兩年的學習生涯裡，有許多人總是在身邊默默的幫助 我，陪伴著我成長，若沒有這些人，我無法順利完成碩士班的學業，
對於這些人，心中充滿了真誠的感謝。
能夠順利完成學業，最要感謝的人是我的指導教授任貽明老師，
感謝老師在這兩年來對我的照顧與耐心指導，在學習期間經常遭遇到 許多困難與挫折，老師總是不厭其煩的給予幫助及鼓勵，幫助我渡過 重重的難關，這種情份令我記憶深刻，在此感謝老師。同時感謝雲林 科技大學張嘉隆教授、嘉義大學邱永川教授及中正大學林派臣教授對 於本論文所提出的建議與指正，令我獲益匪淺，也使得本論文的內容 更趨充實、完善，個人在此深表謝意。
其次要感謝學長立言、書瑋、吉鴻，同學健洋、紹任、彥達、祥 維、維謙，學弟鴻斌、育翔、永傳、姵伶以及好友阿酸、小銘、葛利 在求學生涯當中一直陪伴著我，不斷的給予支持、鼓勵及協助。另外 感謝中華大學棒球隊及機械系壘球隊，陪伴我渡過求學生涯多次的苦 悶及低潮時期，感謝你們。
謹將本論文獻給我的父親黃旺生先生與母親李寳月女士，感謝您 們的養育之恩與耐心的照顧，若非您們給予我精神及實質上的支持，
我無法完成所有的學業，也感謝您們使我更有信心面對未來生活上所 有的挑戰。
中文摘要
本研究將針對七個不同溫濕度環境下，進行單邊搭接黏著劑接合 件靜態及疲勞強度之實驗與分析。單邊搭接黏著劑接合件採用的被黏 著材料為 5052 鋁合金，黏著劑為 EP 512 環氧樹脂黏著劑。首先經由 靜態拉伸測試後，可獲得試片之靜態極限負荷並記錄其數據，以作為 後續疲勞實驗所需負荷階之依據。由靜態實驗結果顯示：低溫環境對 於試片之靜態強度並沒有太大影響，而高溫環境則會使試片靜態強度 明顯下降；高濕度環境也會使試片靜態強度下降，但不明顯，在高濕 度環境中，溫度仍然是影響試片靜態強度之主因。靜態強度實驗完成 後，本文利用每個溫濕度環境下之單邊搭接試片，挑選出五個適當之 靜態強度負荷階作為疲勞實驗之最大負荷，以進行疲勞實驗，並得到 該溫濕度環境下單邊搭接黏著劑接合件之負荷-壽命曲線，藉此可瞭 解單邊搭接黏著劑接合件在不同溫濕度環境下之疲勞性質。由疲勞實 驗結果顯示：低溫及室溫環境下，單邊搭接試片之疲勞強度較好，高 溫環境則使試片疲勞強度明顯下降；高濕度環境下，單邊搭接試片之 疲勞強度有些許下降，高溫仍然是減弱試片疲勞強度之主因。本文也 在靜態及疲勞實驗後，觀察單邊搭接黏著劑接合件破壞面之破壞模 式。結果顯示：同一溫濕度環境下之靜態及疲勞實驗後試片之破壞模 式大致相同。在室溫及低溫環境下，試片破壞模式主要為黏著劑破 壞，高溫環境下主要為界面破壞；高濕度環境下對試片之破壞模式則 無明顯影響。此外，在室溫常濕及室溫高濕環境下，單邊搭接黏著劑 接合件之疲勞破壞模式會由高負荷階之黏著劑破壞轉變為低負荷階 之界面破壞。
關鍵詞：黏著劑；單邊搭接；極限強度；疲勞；溫度；濕度；黏著劑 破壞；界面破壞
ABSTRACT
The temperature/humidity effects on the static and fatigue strengths of adhesively single lap joint specimens were experimentally analyzed in the study. The employed materials of adherends and adhesive for the studied specimens are 5052 aluminum alloy and epoxy resin, respectively.
The experimental results show that the temperature effect on the static strength of studied specimens is weak when the temperature is lower than the room temperature, while the static strength decreases apparently as the temperature increases when the temperature is above the room temperature. Furthermore, the humidity effect has slight effect on the static strength of the studied specimens. Generally speaking, the effect humidity in high temperature environment is stronger than that in low temperature environment. The experimental results show that the fatigue strength of the studied specimens increases significantly when the temperature decreases. Furthermore, the humidity has stronger influences on the fatigue strengths of the studied specimens at high temperature than that at low temperature. The fracture surfaces observed using scanning electron microscope show that the static and fatigue failure modes at low temperature and room temperature are cohesive, and those at high temperature are adhesive, while the effect of humidity only has slight effects on the failure modes. Moreover, the failure mode is found to be dependent on the loading levels. At room temperature, the fatigue failure modes under higher and lower loading levels are adhesive and cohesive, respectively.
Keywords: adhesively single-lap joints, ultimate strength, fatigue, temperature, humidity, cohesive, adhesive
目 錄
中文摘要 ... I 英文摘要 ... III 目 錄... V 表目錄 ... VII 圖目錄 ... VIII 符號說明 ... XIV
第一章 序論 ...1
1-1 引言... 1
1-2 研究內容 ...2
1-3 章節概要 ...2
第二章 文獻回顧 ...4
第三章 實驗內容與程序...10
3-1 儀器介紹... 10
3-2 試片製作... 13
3-3 實驗步驟與內容 ... 14
3-3-1 溫濕度環境設定 ... 14
3-3-2 單邊搭接黏著劑接合件在不同溫濕度環境下之靜態 拉伸實驗 ...16
3-3-3 單邊搭接黏著劑接合件在不同溫濕度環境下之疲勞 實驗 ... 16
第四章 結果與討論 ...24
4-1 鋁合金試片及環氧樹脂黏著劑試片之靜態拉伸實驗 ... 24
4-2 單邊搭接黏著劑接合件之靜態實驗結果... 24
4-2-1 溫度效應對單邊搭接黏著劑接合件靜態強度之影響. 25 4-2-2 溫濕度混合效應對單邊搭接黏著劑接合件靜態強度
之影響 ...27 4-2-3 單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞模式與極限負
載之關係 ...29 4-3 單邊搭接黏著劑接合件之疲勞實驗結果... 29 4-3-1 溫度效應對單邊搭接黏著劑接合件疲勞特性之影響. 30 4-3-2 溫濕度混合效應對單邊搭接黏著劑接合件疲勞特性
之影響 ...32 4-3-3 負荷階大小對單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞模式
之影響 ...34 第五章 結論 ... 99 參考文獻 ... 101
表 目 錄
表 4-1 七種溫濕度環境下鋁合金試片之靜態拉伸機械性質 ... 36 表 4-2 七種溫濕度環境下環氧樹脂黏著劑試片之靜態拉伸機械性質
... 37 表 4-3 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件之靜態極限強度 ....38 表 4-4 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件之靜態極限
強度... 39 表 4-5 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件之疲勞實驗破壞週
次數... 40 表 4-6 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件之疲勞壽命曲線材
料參數... 41 表 4-7 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件之疲勞實驗
破壞週次數 ... 42 表 4-8 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件之疲勞壽命
曲線材料參數 ...43
圖 目 錄
圖 3-1 Instron 8872 型單軸向動態材料試驗系統 ... 17
圖 3-2 溫濕度控制系統 ... 18
圖 3-3 Tekscan 撓性壓力感測器 FlexiForce Sensor ... 19
圖 3-4 單邊搭接黏著劑接合件幾何尺寸圖 ... 20
圖 3-5 單邊搭接黏著劑接合件重疊部分接合實體圖... 21
圖 3-6 單邊搭接黏著劑接合件夾持端接合實體圖... 22
圖 3-7 單邊搭接黏著劑接合件實體圖 ... 23
圖 4-1 七種溫濕度環境下鋁合金試片之應力-應變曲線... 44
圖 4-2 七種溫濕度環境下環氧樹脂黏著劑試片之應力-應變曲線 .. 45
圖 4-3 一般單邊搭接黏著劑接合件之破壞模式 ... 46
圖 4-4 五個溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件之靜態拉伸極限強 度... 47
圖 4-5 -25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面... 48
圖 4-6 0℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 ... 49
圖 4-7 25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 ... 50
圖 4-8 50℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 ... 51
圖 4-9 75℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 ... 52
圖 4-10 -25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 SEM 照片... 53 圖 4-11 0℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 SEM 照
片... 54 圖 4-12 25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 SEM
照片... 55 圖 4-13 50℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 SEM
照片... 56 圖 4-14 75℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞面 SEM
照片... 57 圖 4-15 -25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸實驗之負載-
夾頭位移圖 ... 58 圖 4-16 0℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸實驗之負載-夾
頭位移圖 ... 59 圖 4-17 25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸實驗之負載-
夾頭位移圖 ... 60 圖 4-18 50℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸實驗之負載-
夾頭位移圖 ... 61 圖 4-19 75℃環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸實驗之負載-
夾頭位移圖 ... 62 圖 4-20 五個溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸實驗之
負載-夾頭位移圖 ... 63 圖 4-21 兩個溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件之靜態拉
伸極限強度 ... 64 圖 4-22 25℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞
面... 65 圖 4-23 75℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞
面... 66 圖 4-24 25℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞
面 SEM 照片 ... 67 圖 4-25 75℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞
面 SEM 照片 ... 68 圖 4-26 兩個溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸
實驗之負載-夾頭位移圖 ... 69 圖 4-27 -25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之應力-壽命
曲線圖... 70 圖 4-28 0℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之應力-壽命曲
線圖... 71
圖 4-29 25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之應力-壽命
曲線圖... 72
圖 4-30 50℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之應力-壽命 曲線圖... 73
圖 4-31 75℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之應力-壽命 曲線圖... 74
圖 4-32 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之應力- 壽命曲線圖 ... 75
圖 4-33 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之負荷 階-壽命曲線圖 ... 76
圖 4-34 -25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面... 77
圖 4-35 0℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面... 78
圖 4-36 25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面... 79
圖 4-37 50℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面... 80
圖 4-38 75℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面... 81
圖 4-39 -25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面 SEM 照片 ... 82
圖 4-40 0℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面 SEM 照片 .. 83
圖 4-41 25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面 SEM 照片 ... 84
圖 4-42 50℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面 SEM 照片 ... 85 圖 4-43 75℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面 SEM 照片
... 86 圖 4-44 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件於疲勞實驗中拉
伸範圍對週次數比較圖... 87 圖 4-45 25℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之應
力-壽命曲線圖 ... 88 圖 4-46 75℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗之應
力-壽命曲線圖 ... 89 圖 4-47 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗
之應力-壽命曲線圖 ... 90 圖 4-48 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞實驗
之負荷階-壽命曲線圖 ... 91 圖 4-49 25℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面 ... 92 圖 4-50 75℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面 ... 93 圖 4-51 25℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面
SEM 照片... 94 圖 4-52 75℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面
SEM 照片... 95
圖 4-53 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件於疲勞實 驗中拉伸範圍對週次數比較圖 ... 96 圖 4-54 25℃環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面 SEM 照片
(a)負荷階 40% (b)負荷階 20% ... 97 圖 4-55 25℃/85%RH 環境下單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞面
SEM 照片(a)負荷階 40% (b)負荷階 25% ... 98
符號說明
A 黏著面積
a 材料常數
b 材料常數
E 楊氏係數
Fmax 疲勞實驗中負荷最大值 Fult 靜態極限負荷
G 被黏著材料之剪力模數
Nf 疲勞壽命
RH 相對濕度
T 溫度 δ 夾頭位移
浦松比max 最大剪應力
第一章 序論
1-1 引言
一般工業界使用之接合件有兩種接合方法，一種為機械接合方 法，此方法最為廣泛使用為銲接接合或螺釘接合。第二種方法則為黏 著劑（Adhesive）接合方法。舉凡一般從航太工業、電子工業、汽車 工業甚至到建築業都常選擇黏著劑進行接合。原因不外乎為使用黏著 劑接合方法能夠改善使用機械接合方法之缺點，例如：降低成本、降 低接合件之重量、適用於複雜表面之接合等。由於使用黏著劑進行接 合在現今工業上的重要性有日以俱增的現象，因此對於黏著劑各方面 的強度及耐久度都需要有更深入的瞭解與評估。一般實驗室進行研究 所採用之接合方式大致分為對接（Butt Joint）及搭接（Lap Joint）兩 種，以對接接合方式進行研究可獲得黏著劑之剝離強度（Peeling Strength）；搭接接合方式進行研究則可獲得黏著劑之剪切強度（Shear Strength）。本文採用單邊搭接（Single-Lap Joint）黏著劑接合件進行 研究。
一般機械結構在週次應力或應變持續作用下，結構中某些部份會 逐漸產生微小裂縫，隨著週次負荷（Cyclic Loading）持續的施加，
這些微小裂縫將導致材料巨觀裂縫的形成和延伸（Crack Initiation &
Propagation），當裂縫長度成長到一定程度時，就會導致元件破壞，
此破壞過程稱為疲勞破壞（Fatigue Failure）。材料疲勞破壞的最大特 徵是當結構承受週次負荷，材料並不會立即產生破壞，而是在反覆受 力超過一定次數後，才會發生破壞。根據統計，約有 50%~90%的機
械結構破壞是由疲勞損傷所引起的。因此疲勞設計是對於結構強度設 計上的重要工作之一。
由於黏著劑是高分子材料，其機械性質對於溫度及濕度特別敏 感，如何有效地掌握溫濕度效應對黏著劑接合件強度及耐久度的影 響，是極需進行的工作之一。黏著劑接合件在各種溫濕度環境下的力 學分析雖有些許研究結果，但大多為靜態的力學分析，其在各種溫濕 度條件下疲勞性質的研究，目前尚無十分完整的研究成果。因此本研 究的目的即在以實驗方法瞭解多種溫濕度效應對黏著劑接合件靜態 及疲勞強度之影響。
1-2 研究內容
本研究將利用 Instron-8872 型單軸向動態材料試驗系統，以及一 溫濕度控制系統，針對單邊搭接黏著劑接合件進行各種溫濕度環境下 之靜態及疲勞強度實驗，藉此可幫助瞭解溫濕度效應對於單邊搭接黏 著劑接合件靜態及疲勞強度之影響。本研究主要內容包括：
（一） 在不同溫濕度環境下，利用單邊搭接黏著劑接合件從事靜態 拉伸實驗分析，藉此瞭解並評估黏著劑與溫濕度相關之靜態 機械性質。
（二） 在不同溫濕度環境下，利用單邊搭接黏著劑接合件從事疲勞 實驗分析，藉此瞭解並評估黏著劑與溫濕度相關之疲勞性
質。 以三種不同黏著劑塗佈量的蜂巢板結構試片從事彎矩疲勞實
1-3 章節概要
本文共分為五章：第一章為序論，分為引言、研究內容、章節概 要等；第二章為文獻回顧；第三章為實驗內容與程序，對於實驗的儀 器設備、試片製作過程及實驗內容與步驟等會在此章節做一系列完整 的說明。第四章為結果與討論，整理並探討實驗結果。第五章為結論，
將所得結果加以歸納整理。
第二章 文獻回顧
本節中將針對以往相關的研究做一有系統的整理，內容分為兩大 部分：一是黏著劑本身的機械性質及其接合件的結構強度分析；二是 溫濕度環境對黏著劑接合件機械性質之影響。現分別整理歸納說明如 下：
（一） 黏著劑機械性質與接合件強度分析
在 1996 年，Ikegami 等人 [1]利用兩種型式的環氧樹脂黏著劑進 行對接、單邊搭接、雙邊搭接等不同之接合方式測試靜態接合強度；
其研究結果發現黏著劑的厚度會影響接合的強度。Lang 與 Mallick [2]
在 1998 年利用有限元素法建構出具有不同幾何形狀之黏著劑導角的 二維單邊搭接接合件模型並對接合件進行應力分析；藉此方法探討不 同幾何形狀之導角對於接合件之應力影響。其結果顯示具有黏著劑導 角可以降低界面處之應力集中效應；同時，若導角越平滑，降低應力 集中效果越顯著。在 2002 年，Goncalves 等人 [3]利用有限元素法進 行單邊搭接接合件之應力分析；研究結果指出在黏著劑界面處會產生 較大之應力集中效應。同年，Uehara 及 Sakurai [4]在欲接合表面上使 用不同的表面粗糙度進行接合；藉此探討表面粗糙度與接合強度之關 係。其結果顯示出接合面之粗糙度對於接合強度會有所影響；且可找 到最佳的表面粗糙度值。2003 年 Pereira 及 Morais [5]利用不鏽鋼材料 同時配合三種不同黏著劑以單邊搭接及雙邊搭接的方式進行接合強 度的測試；研究結果指出在接合邊緣會有剝離應力產生而導致接合件 破壞。同年，Pires [6]等人利用鋁合金材料製作單邊搭接接合件；並
在接合件重疊（Over Lap）區域使用兩種不同模數之黏著劑做接合。
其研究結果發現在模數較低之黏著劑的區域，在接合邊緣上會有應力 集中的效應發生。同年，You[7]等人利用金屬圓柱埋入單邊搭接之黏 著劑導角中，研究結果發現黏著劑導角中埋入金屬圓柱會明顯增加單 邊搭接試片之強度。在 2005 年，Magalhaes [8]等人利用複合材料做 單邊搭接接合件後在進行接合強度測試。其結果發現重疊部分之末端 區域會有應力集中影響；此應力集中則是造成接合件破壞最主要之原 因。在 2006 年，Kim [9]等人同樣利用複合材料製作單邊搭接接合件 進行測試；並且觀察其破壞模式。研究結果指出裂縫會先從界面處產 生；同時裂縫會沿著界面處逐漸成長而產生破壞。在 2007 年，
Morais[10]等人利用不同接著長度之黏著劑接合不鏽鋼試片，結果發 現試片強度會隨著黏著長度增加而增加。同年，You[11]等人利用單 邊搭接黏著劑試片，在接合邊緣製作出不同高度及不同角度之導角，
進一步比對導角之高度及角度對接合件之強度差異，其研究結果顯示 出導長高度愈高、導角角度為 30∘時，單邊搭接試片之強度最高。
在 2008 年，Nolting[12]等人以環氧樹脂黏著劑接合鍍層及無鍍層鋁 合金製成雙邊搭接試片，進行變動負載及固定高負載及固定低負載疲 勞實驗。結果發現除了鍍層鋁合金試片接合件在固定低負載下發生鋁 合金基材斷裂破壞，其餘接合件及其餘負載形式皆為黏著劑破壞模 式。另外，過負載的增加會造成疲勞週次數的減少。同年，Khalili[13]
等人以玻璃纖維、微玻璃粉末為黏著劑加強材料接合玻璃強化複合材 料製成單邊搭接試片，以實驗方法測試拉伸、彎矩、衝擊及疲勞強度。
結果發現，黏著劑加入強化材料能有效改善試片機械性質，破壞模式 也會因強化材料種類及含量不同而有所改變。2009 年，Jen 及 Ko[14]
用環氧樹脂黏著劑接合鋁合金製成單邊搭接試片，研究不同接合長度
及不同厚度的黏著劑對單邊搭接試片疲勞強度之影響。結果發現，選 用的三種黏著劑厚度中，單邊搭接試片疲勞強度會隨著黏著劑厚度增 加而減少。另外，在考量相同剪應力下，除了黏著劑厚度為 0.5mm 之單邊搭接試片外，當試片之黏著長度增加時，試片的疲勞強度會下 降。在靜態與疲勞實驗中，黏著劑厚度較厚的單邊搭接試片，其破壞 模式主要為界面破壞；黏著劑厚度較薄的試片，破壞模式主要為黏著 劑破壞。
（二） 溫濕度效應對黏著劑接合件強度之影響
在 1991 年，Harris 及 Fay [15]利用聚丁二烯及環氧樹脂黏著劑 分別製作單邊搭接接合試片；並且配合不同黏著劑厚度及溫度進行疲 勞測試。其研究結果顯示兩種黏著劑在不同溫度下對於疲勞強度會有 所影響。在環氧樹脂黏著劑部分，如黏著劑厚度較薄時，則會改善接 合件之疲勞強度。在 1992 年，Adams 等人 [16]利用單邊搭接接合 件在高溫下進行接合強度測試。其研究結果顯示黏著劑在高溫環境中 會產生收縮的效應；且此效應會使得單邊搭接接合件裡的應力狀態產 生改變。同年，Su 等人 [17]則利用不同型式黏著劑進行單邊搭接接 合件；並置放於不同溫度及濕度的環境下一段時間後再進行疲勞測 試。其研究結果指出某些黏著劑會因為溫濕度的變化而降低黏著劑之 接合效果；反之某些黏著劑則不受影響。Bowditch [18]在 1996 年將 黏著劑接合件置於水中進行接合強度測試；藉此方法探討水對於黏著 劑接合件之影響。研究結果顯示水對黏著劑本身的機械及物理性質會 有所影響；並且在黏著劑與被接著材料的接合界面處會有嚴重的影 響。在 2000 年，Briskham 及 Smith[19]利用數種表面處理之單邊搭接 試片，在水中及濕熱環境中進行靜態拉伸實驗、無應力耐久度實驗與
持續負載耐久度實驗，結果發現高溫及高濕會加速單邊搭接黏著劑試 片之破壞。2002 年 Balkova 等人 [20]利用不同型式之黏著劑製作接 合件；並且在不同溫度下進行測試。其結果發現環氧樹脂黏著劑在不 同環境下對於接合強度並不會造成太大的影響。同年，Ferreira [21]
等人利用黏著劑以搭接的方式在不同溫度下進行疲勞測試；研究結果 指出搭接的長度會影響其疲勞行為；在不同溫度下接合強度也會下 降。同年，Kim 及 Lee[22]利用黏著劑接合碳奈米管/環氧樹脂複合材 料，在室溫及高溫環境下進行靜態拉伸實驗。結果發現，環境溫度及 基材表面處理皆會影響試片極限強度及破壞模式。Rushforth 等人[23]
在 2004 年，針對表面處理及濕度效應對於鋁合金單邊搭接試片疲勞 強度之影響進行研究。結果發現：在空氣中試片有無進行表面處理對 其疲勞強度影響不大；但在 96%相對濕度環境下，無表面處理試片之 疲勞強度將大為降低。此是由於表面處理將影響界面接合，進而改變 其破壞模式所致。2006 年 Underhill 等人[24]對鋁合金黏著劑試片進 行溫水表面處理，並探討此處理對疲勞強度的影響。結果發現在潮濕 環境下試片的疲勞強度將略低於乾燥環境下的疲勞強度，而溫水表面 處理將對疲勞強度有所助益。Underhill 及 DuQuesnay [25]則是針對 濕熱環境下，腐蝕及氧化兩項因素對鋁合金黏著劑接合試片破壞之影 響進行研究。結果發現腐蝕及氧化兩者對於黏著劑接合試片之破壞均 有一定之影響。同年，Underhill 及 DuQuesnay [26]在接合表面上分 別使用矽烷與無使用矽烷進行不同之表面處理後，再利用環氧黏著劑 進行接合；並將接合件置放於乾燥或潮濕的環境下進行疲勞測試。其 研究結果顯示即使在乾燥環境下沒有使用矽烷處理的接合強度會比 使用矽烷處理過的接合強度低。同年，Gates [27]等人利用含有預裂 縫的蜂巢板試片去進行室溫、-196℃與-269℃下進行三點彎矩測試，
其實驗結果發現面板的勁度會隨著溫度的下降而提昇；並利用有限元 素法模擬實驗中位移之控制之分析，其結果發現溫度越低，材料承受 負載越高，變形量也越高。2007 年，Silva 及 Adams [28]針對以不同 被黏著物所製成的黏著劑接合件試片在高溫及低溫下的黏著強度進 行研究。同樣的作者[29]在同年從事在大範圍溫度下，黏著劑接合件 接合強度的研究。結果發現在高溫時，試片的破壞屬於脆性的接合破 壞；而低溫時則是屬於延性的破壞。同作者[30]在同年以黏著劑接合 金屬試片製成雙邊搭接接合件，發現在高溫及低溫環境下，金屬試片 的導角皆能有效改善試片之極限強度。在 2008 年，Adamvalli 及 Parameswaran [31]在四種溫度下，利用分離式霍普金森桿撞擊單邊搭 接試片，實驗結果發現，隨著環境溫度上升，單邊搭接黏著劑接點強 度會隨之下降。同年，Hassan [32]等人利用黏著劑接合聚氯乙烯與鋼 材製成雙邊搭接試片，在不同環境下進行拉伸實驗及固定負載耐久性 實驗。結果發現，當環境溫度上升，試片的靜態強度及耐久度都有下 降趨勢。另外，耐久性實驗中的負荷階提高時，溫度效應對耐久性的 影響更加明顯。在 2009 年，Allaoui [33]等人，對於瓦楞紙結構與硬 紙板黏合而成的複合材料，在常濕與高濕的環境下進行靜態拉升的實 驗，其結果顯示此複合材料在高濕的環境下會出現明顯的黏彈性質。
同年，Colak [34]等人利用環氧樹脂黏著劑接合混擬土方柱進行三點 彎曲測試。結果發現環境溫度及固化時試片吸收的含水量皆會影響試 片的彎曲強度。同年，Soni [35]等人，針對由碳纖維或玻璃纖維之面 板與 PMI 發泡材為夾心製作而成的複合結構去進行室溫、0 , ℃ -30℃
和-60℃之條件下四點彎矩實驗，其結果顯示各條件下碳纖維/PMI 夾 和件之靜態強度均優於玻璃纖維/PMI 夾和件，而其疲勞實驗部分，
-60℃之疲勞壽命是室溫下的疲勞壽命的一百倍；在各溫度條件下之
主要破壞形式皆為 PMI 受到剪力而形成的剪切破壞。同年，Zhang [36]
等人以環氧樹脂黏著劑接合玻璃纖維強化複合材料製作雙邊搭接試 片，在四種溫濕度環境下檢測環境效應對試片疲勞強度的影響。結果 發現溫度及濕度皆會影響試片的靜態強度及疲勞強變，並改變試片破 壞的位置。同年，Khalili [37]等人用三種型式的人造纖維加強黏著劑 接合鋁合金製成單邊搭接試片，研究不同強加材料對單邊搭接試片潛 變之影響。結果發現人造纖維的型式與排列方向皆會影響試片的破壞 時間。試片破壞模式則包含黏著劑破壞及界面破壞模式。另外，高溫 環境使得黏著劑的接合強度下降。
綜觀以上的文獻結果可知，對於單邊搭試黏著劑接合件，以往的 文獻大多是對於承受靜態負荷的狀況下，從事力學的分析與探討。對 於承受動態負荷的狀況下，相關性的研究相當少見；而有關溫濕度效 應對於黏著劑本身或是其接合件靜態或動態機械強度影響的文獻也 多偏重在定性的分析，定量的研究幾乎沒有。對於溫濕度效應研究也 大多針對溫度或濕度，且研究之環境範圍相當小。因此本計畫將針對 單邊搭接黏著劑接合件，進行不同溫濕度條件下靜態及疲勞強度實驗 與分析。
第三章 實驗內容與程序
在本章第一節將介紹本研究中所使用之儀器。第二節將詳細說 明單邊搭接黏著劑接合件之尺寸，並介紹被黏著材料及黏著劑之種 類，以及試片製作過程。第三節介紹本研究的實驗方法與過程，包 括溫濕度環境設定、單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸實驗、及單邊 搭接黏著劑接合件之疲勞實驗。
3-1 儀器介紹
本節將詳細說明本研究所需之儀器。
（一）動態材料試驗系統
本實驗係使用本疲勞實驗室之 Instron-8872 型單軸向動態材料試 驗系統，並分別配合 FASTTRACK 與 SAX 兩套數位控制軟體對試 片進行靜態與疲勞部份之材料性質試驗。如圖 3-1 所示，其主要組 成構件為控制系統（Control System）、負載架組合（Load Frame Assembly）、伺服液壓制動器（Servo Hydraulic Actuator）、液壓動力 供應器（Hydraulic Power Supply）及冷卻系統等。
Instron-8872 型伺服液壓動態試驗系統在運作過程中會將負載、
行程、應力及週次數等訊息訊號輸出，由於系統本身並無具備儲存 這些訊息訊號的功能，因此為了儲存這些訊號，將所得到的數據送 到電腦硬碟中儲存，並將所有訊息以圖形視窗同步地顯示在電腦螢 幕上，以便有效掌控整個實驗過程。
（二）溫濕度控制系統
本研究控制實驗中溫濕度環境所使用之溫濕度控制系統包含四 個部份，分別為溫濕度控制箱體、加熱爐系統、加濕器系統及液態 氮系統。
溫濕度控制箱體（圖 3-2a）係以不銹鋼板包覆絕熱材料製成，
箱體可外接加熱爐、加濕器及液態氮管路，因此可在箱體內進行各 種高溫高濕及低溫實驗。溫度計連結至控制器以監控內部溫度，以 及一乾濕球濕度計，用以監控箱體內部濕度。
加熱爐（圖 3-2b）中以加熱線圈提升溫度，並有一耐熱風扇將 熱氣送至溫濕度控制箱中。本實驗中高溫環境（50℃及 75℃）使用 加熱爐系統控制溫度，將加熱爐之溫度計置於溫濕度控制箱中，控 制器隨時監控箱體中之環境溫度，以啟動或關閉加熱爐之風扇，保 持箱體中穩定之高溫環境。加熱爐在本實驗設定之溫度下，約可保 持±1℃之環境。
加濕器（圖 3-2c）係加熱去離子水至沸騰，產生高溫之水蒸氣 並送入溫濕度控制箱中。本實驗之高溫高濕環境（75℃/85%RH）使 用加濕器控制其溫濕度，溫濕度控制箱中設置一乾濕球溫濕度計，
控制器隨時監控箱體中之環境溫度及濕度，以啟動或關閉加濕器，
保持箱體中穩定之高溫高濕環境。加濕器在本實驗設定之溫濕度 下，約可保持±3℃/±5%RH 之環境。
液態氮系統（圖 3-2d）係以一幫浦將空氣由銅管打入存有液態 氮之無壓力桶，由另一銅管送出液態氮至溫濕度控制箱中。本實驗
之低溫環境（0℃及-25℃）使用液態氮控制其溫度，將液態氮幫浦 之溫度計置於溫濕度控制箱中，控制器隨時監控箱體中之環境溫 度，以啟動或關閉液態氮幫浦，保持箱體中穩定之低溫環境，並同 時微調幫浦壓力，以控制送入溫濕度控制箱之液態氮流量，達到實 驗所需之低溫環境。液態氮系統在本實驗設定之溫度下，約可保持
±2℃之環境。
（三）撓性壓力感測器
為了製作強度一致的單邊搭接試片，在固化過程需施以試片一 固定壓力，本文採用一般市售之燕尾夾，但即使相同廠牌及型號之 燕尾夾，其夾力未必完全一致。因此本文利用 Tekscan 公司生產之 撓性壓力感測器 FlexiForce Sensor（如圖 3-3a、b、c 所示）來挑選 相同夾力之燕尾夾。
FlexiForce Sensor 屬於壓阻效應型的壓力感測器，藉由不同負載 時產生的電阻變化，得到其負載值。感測器本體非常薄且具有可撓 性，本研究利用兩片尺寸為 16 mm × 16 mm × 1 mm 之鋁薄片夾住感 測器，再以燕尾夾夾住鋁薄片，以獲得燕尾夾之負載值。試片製作 後之燕尾夾將持續以此壓力感測器監控其夾力變化，避免有燕尾夾 夾力減弱而繼續使用之情況。
（四）掃描式電子顯微鏡
本研究在試片破斷後將使用 HITACHI S-4200 型掃描式電子顯微 鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）來觀察試片破壞面之破壞 模式。在使用 SEM 觀察試片破壞面前，需先使用 HITACHI E-1010
型離子覆膜機（Ion Sputter），在試片表面覆上一層黃金薄膜，黃金 薄膜可排除環氧樹脂導電性不佳造成 SEM 觀察不易之問題，也可避 免電子束掃描試片時產生的高熱破壞試面表面的環氧樹脂黏著劑。
本研究採用的覆膜時間為 40 秒。
3-2 試片製作
本節將說明單邊搭接黏著劑接合件之製作過程。在本研究中所 使用之黏著劑採用國森企業公司所生產之編號為 EP 512 混合式之環 氧樹脂黏著劑進行接合。此種型式黏著劑使用前需將環氧樹脂主劑 與變性聚胺硬化劑以 2：1 的重量混合比混合攪拌後，方可進行接合。
單邊搭接黏著劑接合件幾何尺寸外型如圖 3-4 所示，試片製作依 據 ASTM D1002-05 [38]標準規範。其長寬高尺寸為 64 mm × 16 mm
× 1 mm，黏著長度為 8 mm。
單邊搭接黏著劑接合件所考慮的被黏著材料（Adherend）選用 5052 鋁合金。單邊搭接試片製作程序如下：試片製作前先進行被黏 著材料之表面處理及黏著劑之製備。先將被黏著材料之欲黏著表面 利用號數為 400、600 及 800 之砂紙，在同一方向由粗顆粒至細顆粒 將試片表面作研磨處理。研磨處理完成後先以實驗擦拭紙簡單清理 研磨粉末，再利用丙酮（Acetone）將表面清洗並置放數分鐘待被黏 著材料乾燥。表面處理完成後，方可準備黏著劑，將環氧樹脂主劑 與變性聚胺硬化劑以 2：1 的重量混合比混合攪拌後，即可進行試片 的接合。
單邊搭接黏著劑接合件接合時先在重疊部分滴上約 30mg 的黏
著劑，再利用相同夾力之燕尾夾，在黏著時夾持重疊區，產生固定 的 29.1KPa 夾力，此夾力可獲得約 60μm 的黏著劑厚度。接合過程 中利用一薄鋁片刮除夾持接合時流出之黏著劑，以避免流出之黏著 劑形成導角，造成試片強度不一之問題。為了避免黏著劑在接著時 逐漸固化，而影響試片強度的問題，接著試片時先接著重疊部分，
一批試片重疊部分的接著在 15 分鐘內完成（如圖 3-5 所示）。待重 疊部分接著完成後，再進行夾持端的接著（如圖 3-6 所示）。為了在 實驗中試片能保持垂直固定於夾頭上，因此在試片兩端貼上尺寸為 16mm × 16 mm × 1 mm 之夾持端。EP 512 環氧樹脂黏著劑在黏著 後，在高溫環境下施予壓力可縮短固化時間，並增強接著強度，因 此本實驗試片夾持接著完成後，將試片置於 70℃烘箱中固化 1 小 時，之後置於室溫下 2 天待黏著劑完全固化後，試片即完成。試片 完成實體圖如圖 3-7 所示。
3-3 實驗步驟與內容
本研究實驗方向規劃成兩個部分：第一個部分為單邊搭接黏著 劑接合件在不同溫濕度環境下的靜態拉伸實驗，藉此獲得單邊搭接 試片在不同環境條件下的基本機械性質。第二個部分為單邊搭接黏 著劑接合件在不同溫濕度環境下的疲勞實驗，藉此獲得單邊搭接試 片在不同環境條件下的疲勞強度。以下首先介紹溫濕度環境的設定。
3-3-1 溫濕度環境設定
本研究選用五個溫度控制環境，分別為-25℃、0℃、25℃、50℃、
75℃ ， 以 及 兩 個 溫 濕 度 混 合 環 境 ， 分 別 為 25℃/85%RH 、 75℃/85%RH。以下將說明如何控制此七個溫濕度環境。
(一) -25℃環境：在溫濕度控制箱中及箱外貼上保麗龍板，以 達到更佳的隔熱效果，並在溫濕度控制箱中塞滿冰塊，以 達 到 較 穩 定 的 低 溫 控 制 。 將 液 態 氮 幫 浦 控 制 器 設 定 在 -25℃，靜置 15 分鐘，可維持約-25±2℃的低溫環境。
(二) 0℃環境：在溫濕度控制箱中及箱外貼上保麗龍板，以達 到更佳的隔熱效果，並在溫濕度控制箱中塞滿冰塊，以達 到較穩定的低溫控制。將液態氮幫浦控制器設定在 0℃，靜 置 15 分鐘，可維持約 0±2℃的低溫環境。
(三) 25℃環境：實驗室環境在中央空調下，約可保持 25±3℃
環境，濕度約可保持 50±5%RH。
(四) 50℃環境：加熱爐控制器設定至 50℃，靜置 15 分鐘，
溫濕度控制箱內約可達到 50±1℃高溫環境。
(五) 75℃環境：加熱爐控制器設定至 75℃，靜置 20 分鐘，
溫濕度控制箱內約可達到 75±1℃高溫環境。
(六) 25℃/85%RH 環境：溫濕度控制箱內盛水盤加滿水，封 閉箱體，並以灑水噴頭加快箱體中濕氣含量，靜置 30 分鐘，
約可達到 25±3℃/85±3%RH 高濕環境。
(七) 75℃/85%RH 環境：加濕器控制器設定至 85%RH，靜置 20 分鐘，約可達到 75±3℃/85±5%RH 高溫高濕環境。
待溫濕度控制箱達到實驗所需溫濕度條件後，將單邊搭接試片 置於夾頭上 15 分鐘後，再開始進行靜態拉伸及疲勞實驗。
3-3-2 單邊搭接黏著劑接合件在不同溫濕度環境下之靜態拉伸實驗
在進行疲勞實驗之前，必須先取得單邊搭接試片在各溫濕度環 境下之基本機械性質，以作為疲勞實驗之依據。實驗中考量七個溫 濕度環境，分別為：-25℃、0℃、25℃、50℃、75℃、25℃/85%RH 及 75℃/85%RH。首先進行多次靜態拉伸強度試驗，得到單邊搭接 試片在各溫濕度環境下之靜態拉伸極限強度。靜態實驗將控制拉伸 速率為 0.01 mm/sec，並紀錄負載及位移之關係及觀察其破壞形式。
最後以掃描式電子顯微鏡觀察試片拉伸破壞後之細部破壞模式。
3-3-3單邊搭接黏著劑接合件在不同溫濕度環境下之疲勞實驗
在進行各溫濕度環境下單邊搭接試片之靜態拉伸強度測試後，
本研究將以負荷作為控制參數，針對各溫濕度環境下之單邊搭接試 片進行疲勞實驗。本研究將分別利用各溫濕度環境下之試片所對應 的靜態極限強度設定疲勞實驗中的負荷大小。每一溫濕度環境下選 用適當之五個靜態極限負荷階，定出疲勞實驗之最大負荷，再分別 對不同溫濕度環境下之試片以正弦波施加負載以進行疲勞實驗。實 驗中負荷比 R 設為 0.1 （負荷比之定義為最小負荷/最大負荷）；且 為了避免因頻率過快而產生局部熱應力集中而造成疲勞壽命下降之 現象發生，因此將頻率設為 5 Hz。本研究定義試片之疲勞壽命為試 片破斷時對應之週次數。本研究中每一個溫濕度環境下，以此五個 靜態極限之負荷階進行實驗，將獲得該溫濕度環境下之負荷-壽命曲 線圖。另外，若疲勞實驗週次數達一百萬次以上即終止實驗，代表 該疲勞實驗具有無窮壽命。最後以掃描式電子顯微鏡觀察試片疲勞 破壞後之細部破壞模式。
圖 3-1 Instron 8872 型單軸向動態材料試驗系統
圖 3-2 溫濕度控制系統：(a)溫濕度控制箱 (b)加熱爐 (c)加濕器 (d)液態氮桶
(a) (b)
(c) (d)
圖 3-3 Tekscan 撓性壓力感測器 FlexiForce Sensor：(a) FlexiForce Sensor 本體 (b)燕尾夾夾持 FlexiForce Sensor 實體圖 (c)燕尾夾之負載值
(a) (b)
(c)
圖 3-4 單邊搭接黏著劑接合件幾何尺寸圖
圖 3-5 單邊搭接黏著劑接合件重疊部分接合實體圖
圖 3-6 單邊搭接黏著劑接合件夾持端接合實體圖
圖 3-7 單邊搭接黏著劑接合件實體圖
第四章 結果與討論
實驗結果將於本章做一系列整理及分析。第一節為各種溫濕度環 境下，鋁合金試片及黏著劑試片之靜態拉伸實驗。第二節為單邊搭接 黏著劑接合件靜態實驗結果，包含溫度效應及溫濕度混合效應對接合 件靜態極限強度之影響，並觀察試片破壞面破壞模式，探討各種溫濕 度環境效應對接合件靜態拉伸破壞模式之影響。第三節為單邊搭接黏 著劑接合件疲勞實驗結果，包含溫度效應及溫濕度混合效應對接合件 疲勞強度之影響，疲勞實驗結束後同樣觀察試片破壞面破壞模式，瞭 解各種溫濕度環境效應對接合件疲勞破壞模式之影響。
4-1 鋁合金試片及環氧樹脂黏著劑試片之靜態拉伸實驗
本研究另外針對鋁合金試片及環氧樹脂黏著劑試片進行不同溫濕 度環境下之靜態拉伸實驗，以獲得兩種試片在各種溫濕度環境下的基 本機械性質。
圖 4-1 及圖 4-2 分別為七種溫濕度環境下，鋁合金試片及環氧樹 脂黏著劑試片之應力-應變曲線。表 4-1 及表 4-2 分別為七種溫濕度環 境下，鋁合金試片及環氧樹脂黏著劑試片靜態拉伸基本機械性質。
4-2 單邊搭接黏著劑接合件之靜態實驗結果
單邊搭接黏著劑接合件在七種溫濕度環境下之靜態拉伸實驗結 果，將分成「溫度效應」及「溫濕度混合效應」對單邊搭接黏著劑接 合件極限強度之影響。並分成「單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸極限
強度」及「單邊搭接黏著劑接合件之靜態拉伸破壞模式」兩部份加以 討論及分析，以瞭解極限強度及破壞模式之間的關係，以及七種溫濕 度環境對此兩部份之影響。
一 般 單 邊 搭 接 黏 著 劑 接 合 件 之 破 壞 模 式 可 分 為 界 面 破 壞
（Adhesive Failure）、黏著劑破壞（Cohesive Failure）與兩種模式共存 之混合破壞（Mixed Failure），如圖 4-3 所示。其中界面破壞是經由被 黏著材料與黏著劑之界面處產生破壞，代表黏著劑及被黏著材料間的 界面強度低於黏著劑本身的強度；而黏著劑破壞是從黏著劑層本身產 生破壞，代表黏著劑與被黏著材料之結合良好，其被黏著材料及黏著 劑間之界面強度高於黏著劑本身的強度。一般而言，界面破壞強度要 比黏著劑強度要低；當接合件產生混合破壞時，則代表其接合件強度 介於界面破壞強度與黏著劑破壞強度之間。
4-2-1 溫度效應對單邊搭接黏著劑接合件靜態強度之影響
表 4-3 為五個溫度環境下，單邊搭接黏著劑接合件之靜態拉伸極 限強度。圖 4-4 為實驗結果比較圖，由圖中可以看出，當試片置於室 溫（25℃）環境下，試片的靜態極限強度最高，達到 2210.2N；當試 片置於低溫環境（0℃、-25℃）下，試片靜態強度有些許下降，但與 室溫環境下之試片靜態強度相差不多，各別為 0℃環境下之 2087.6N、
及-25℃環境下之 2044.0N；當試片置於高溫環境（50℃、75℃）下，
試片靜態強度隨溫度提升有明顯下降趨勢；50℃環境下試片之極限強 度為 1264.7N；75℃環境下試片之極限強度為 861.8N，與室溫環境下 之試片靜態強度相比，分別下降約 40%及 60%。
本研究也針對五種溫度環境下之單邊搭接黏著劑接合件記錄其破
壞模式，試片受到靜態拉伸負載的巨觀破壞照片如圖 4-5~4-9 所示。
初步目視觀察可以發現，靜態拉伸實驗中單邊搭接試片破壞模式在各 溫度環境下皆為混合破壞。其中當試片位於低溫及常溫環境下，其破 壞面殘膠較均勻，黏著劑破壞模式佔較大比例；而當試片位於高溫環 境下，可以觀察到試片上鋁合金裸露的部份較多，即界面破壞佔較大 比例。由於試片黏著劑層相當薄，以目視觀察較不準確，因此本文再 藉 由 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 來 觀 察 試 片 破 壞 面 的 細 部 破 壞 模 式 。 圖 4-10~4-14 為五種溫度環境下，試片破壞面的 SEM 觀察照片。圖 4-10、
4-11 及 4-12 各別為-25℃、0℃及 25℃環境下，試片破壞面的 SEM 照 片，從圖中可以發現，這三個溫度環境下，兩片鋁合金試片上都有黏 著劑，而黏著劑同樣都是以「撕裂（Tear）」的模式破壞，由此可知試 片的破壞是經由黏著劑層中間位置被撕開，屬於「黏著劑破壞」，也就 是黏著劑破壞模式所主導。圖 4-13 為 50℃環境下，試片破壞面的 SEM 照片，從圖中可以看到，中間及左半部份的黏著劑十分平坦，這表示 黏著劑完整地與鋁合金試片分離，上面可以看得到鋁合金表面以砂紙 研磨過後的紋路，屬於「界面破壞」，但在左半邊及上面可以看到黏著 劑有被掀起的跡象，表示這並非十分完全的「界面破壞」，小部份的黏 著劑還是有從內部破壞的情況，而右半邊則是與室溫及低溫環境下試 片之破壞面相同，為「黏著劑破壞」，由此可知 50℃環境下試片之破 壞模式主要為「界面破壞」模式主導，只有少部分「黏著劑破壞」模 式。圖 4-14 為 75℃環境下，試片破壞面的 SEM 照片，從圖中可以發 現，左半邊的黏著劑十分平整，右半邊也可以看到乾淨的鋁合金表面，
這表示 75℃環境下試片之破壞模式大都為「界面破壞」主導。從以上 觀察可以發現，在五種溫度環境下，單邊搭接試片靜態拉伸破壞模式 皆為「混合破壞」模式。再經由 SEM 觀察細部破壞模式後發現，在
室溫及低溫環境下，單邊搭接黏著劑接合件的靜態拉伸破壞模式主要 為黏著劑破壞主導，這是由於黏著劑本身的內聚力大於黏著劑及鋁合 金試片之間的界面結合力，因此發生黏著劑破壞。隨著環境溫度提升，
混合破壞模式中的界面破壞所主導的破壞模式比例會增加，也造成極 限強度之下降。環境溫度的升高使得黏著劑強度及界面強度皆下降，
由於黏著劑及鋁合金試片之間的界面結合力下降而低於黏著劑本身的 內聚力，因此發生界面破壞。
圖 4-15~4-19 為五個溫度環境下，單邊搭接黏著劑接合件靜態拉 伸實驗之負載-位移圖。由圖 4-15~4-19 都可以發現，單邊搭接黏著劑 接合件在五個溫度環境下承受靜態拉伸負荷時，負荷達到最大值即斷 裂。圖 4-20 為以上五個溫度環境，單邊搭接試片靜態拉伸實驗之負載 -夾頭位移比較圖。從單邊搭接試片的伸長量來比較也可以發現，低溫 及室溫環境下，試片伸長量十分接近。隨著環境溫度提升，試片伸長 量也有下降趨勢。將單邊搭接試片在五種溫度環境下的伸長量與破壞 模式比較，可以發現試片伸長量較大時，主要為「黏著劑破壞」模式 主導；隨著單邊搭接試片伸長量下降，試片破壞模式也轉變為「界面 破壞」模式主導。
4-2-2 溫濕度混合效應對單邊搭接黏著劑接合件靜態強度之影響
表 4-4 為兩個溫濕度混合環境下，單邊搭接黏著劑接合件之靜態 拉伸極限強度實驗結果，表中並加入一般室溫常濕環境的實驗結果作 比較。圖 4-21 則為上述實驗結果之比較圖，由圖中可以看出，在室溫 高濕度（25℃/85%RH）環境下，試片靜態極限強度較室溫常濕（25
℃/50%RH）環境下有些許下降；但差距並不大，分別為 2210.2N 及
2030.1N。在同為 85%RH 的高濕度環境下，環境溫度提高至 75℃
/85%RH 環境時，其靜態拉伸極限強度較室溫高濕度（25℃/85%RH）
環境下則有明顯下降趨勢，只有 602.3N。可見對單邊搭接黏著劑接合 件靜態強度而言，溫度之效應較濕度之效應來得嚴重。
圖 4-22~4-23 為兩種溫濕度混合環境下之單邊搭接黏著劑接合件 受到靜態拉伸負載的巨觀破壞面照片。初步目視觀察可以發現，兩種 溫濕度混合環境下單邊搭接試片靜態拉伸破壞模式皆為「混合破壞模 式」，室溫高濕度（25℃/85%RH）環境下，試片靜態拉伸破壞模式與 室溫常濕（25℃/50%RH）環境下相似；而高溫高濕度（75℃/85%RH）
環境下，試片靜態拉伸破壞模式則與高溫（75℃）環境下較為相似。
另外，本文亦藉由 SEM 來觀察試片破壞面的細部破壞模式。圖 4-24~4-25 為兩種溫濕度混合環境下，試片破壞面的 SEM 觀察照片。
圖 4-24 為 25℃/85%RH 環境下，單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸之破 壞面 SEM 照片，從圖中可以發現，試片之破壞均在黏著劑中以「撕 裂」的模式破壞，表示黏著劑是從內部破壞。此破壞模式與低溫及室 溫常濕環境下試片之破壞模式相同，屬於「黏著劑破壞」模式所主導。
圖 4-25 為 75℃/85%RH 環境下之試片破壞面 SEM 照片，從圖中可以 看到，下半部的黏著劑非常平整，沒有被掀起或撕開的情況，上半部 的鋁合金表面也十分乾淨，沒有黏著劑的殘留，因此屬於「界面破壞」
所主導的破壞模式。從以上觀察可以發現，溫濕度混合效應中，溫度 效應為影響單邊搭接黏著劑接合件極限強度及拉伸破壞模式主因，由 於環氧樹脂黏著劑不溶於水，因此環境濕氣對黏著劑接合件靜態拉伸 結果影響不大。
圖 4-26 為兩種溫濕度混合環境下，單邊搭接試片靜態拉伸實驗之
負載-夾頭位移比較圖，並加入 25℃/50%RH 環境之結果作比較。從圖 中可以看出，單邊搭接試片在溫濕度混合環境下承受靜態拉伸負荷 時，負荷亦達到最大值即斷裂。從單邊搭接試片的伸長量來比較也可 以發現，室溫常濕與室溫高濕環境下，試片伸長量十分接近。同為高 濕度環境下，隨著環境溫度提升，試片伸長量也有明顯下降趨勢。由 此可知，溫濕度混合效應對單邊搭接試片伸長量影響不大，溫度仍是 影響試片伸長量的主因。將單邊搭接試片在兩種溫濕度混合環境下的 伸長量與破壞模式比較，可以發現試片伸長量較大時，主要為「黏著 劑破壞」模式主導；隨著單邊搭接試片伸長量下降，試片破壞模式也 轉變為「界面破壞」模式主導。
4-2-3 單邊搭接黏著劑接合件靜態拉伸破壞模式與極限負載之關係
從以上實驗數據可以發現，溫度對單邊搭接試片之靜態拉伸極限 強度影響較為明顯，而濕度對其極限強度影響則較小。在低溫及室溫 環境下，試片的破壞模式大都為「黏著劑破壞」所主導，50℃環境下 則為「黏著劑破壞」及「界面破壞」參半混合破壞模式主導，高溫環 境則大都為「界面破壞」主導。另一方面，在 25℃環境下，高濕度對 試片的破壞模式則沒有影響。這個結果也呼應了試片破壞模式與試片 強度之間的關係，試片的破壞模式為黏著劑破壞時，試片的接合強度 較高。
4-3 單邊搭接黏著劑接合件之疲勞實驗結果
單邊搭接黏著劑接合件在七種溫濕度環境下之疲勞實驗結果，將 分成「溫度效應」及「溫濕度混合效應」對單邊搭接黏著劑試片疲勞 特性之影響分別描述，且分成「單邊搭接黏著劑接合件疲勞壽命結果」
及「單邊搭接黏著劑接合件之疲勞破壞模式」兩部份加以討論及分析，
以瞭解疲勞壽命與破壞模式兩者之間的關係，以及七種溫濕度環境對 疲勞行為之影響。此外，在不同溫濕度環境下，試片夾頭位移隨著週 次數增加至試片破壞的行為也將被詳細探討。
4-3-1 溫度效應對單邊搭接黏著劑接合件疲勞特性之影響
考量五個不同溫度環境下，單邊搭接黏著劑接合件之疲勞實驗結 果如表 4-5 所示。本研究對於單邊搭接試片進行疲勞實驗下之最大平 均剪應力以下式計算：
(MPa) max
max
F
A
（4-1）
其中max為疲勞實驗之最大平均剪應力，Fmax為單邊搭接試片進行 疲勞實驗下所承受之最大負荷， A 為黏著面積。本文對於單邊搭接試 片之疲勞壽命曲線以下式子描述：
(MPa) ( )b
max a Nf
（4-2）
a、b為材料常數，Nf 為疲勞壽命。本文將五個不同溫度環境下，
單邊搭接試片之疲勞實驗結果利用曲線配湊法（Curve fitting）方式繪 於雙對數圖上。圖 4-27~4-31 為五個不同溫度環境下，單邊搭接試片疲 勞試驗週次數之應力-壽命曲線。五種溫度環境下試片之材料常數a、b 列於表 4-6。由圖 4-27~4-31 結果可知，（4-2）式之 Power Law 型式可 充分描述單邊搭接試片在不同溫度下之疲勞壽命曲線，由這些圖之結
果也可以得到不同溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件對應一百萬週次 之虛擬疲勞極限（pseudo fatigue limit）。
為研究不同溫度環境下之單邊搭接試片進行疲勞強度之比較，圖 4-32 為五種不同溫度環境下之疲勞壽命曲線圖。由圖中可以看出，
-25℃環境下，單邊搭接試片的疲勞強度最佳，0℃環境下次之，25℃
環境下又更差一些，但這三個溫度環境下之疲勞強度相差不大；50℃
環境下，單邊搭接試片的疲勞強度則有較明顯下降；75℃環境下之疲 勞強度又較 50℃環境下更差。由此可知，單邊搭接黏著劑接合件的疲 勞強度隨著環境溫度的上升而下降，尤其高溫環境對單邊搭接試片之 疲勞強度有明顯影響。圖 4-33 為五種不同溫度環境下，單邊搭接試片 之疲勞實驗負荷階對疲勞壽命曲線圖，從圖中可以直接看出在五種不 同的溫度環境下，溫度效應對單邊搭接黏著劑接合件疲勞強度的影 響，尤其低溫環境下，單邊搭接試片的疲勞強度較靜態強度有更顯著 的提升。
圖 4-34~4-38 為五種不同溫度環境下，單邊搭接黏著劑接合件在 疲勞實驗後的巨觀破壞模式。結果發現，其破壞模式與靜態實驗結果 大致相同，所有試片皆為混合破壞模式，在室溫及低溫環境下，黏著 劑破壞佔較大比例；在高溫環境下，界面破壞佔較大比例。本文也使 用 SEM 觀察破壞面的細部破壞模式。圖 4-39、4-40 分別為-25℃（負 荷階= 60%、疲勞壽命週次數= 31518）及 0℃（負荷階= 50%、疲勞壽 命週次數= 29581）低溫環境下以 SEM 觀察試片的疲勞破壞模式，從 圖中可以發現，破壞是在黏著劑中以「撕裂」的模式破壞，表示試片 的疲勞破壞發生在黏著劑層內部，屬於「黏著劑破壞」模式主導。在 -25℃及 0℃低溫環境下，所有負荷階下黏著劑疲勞破壞模式皆相同。
圖 4-41 為 25℃（負荷階= 40%、疲勞壽命週次數= 30488）常溫環境 下試片破壞面之 SEM 照片，圖中可以看出，其疲勞破壞模式與低溫 環境下之疲勞破壞模式大致相同。圖 4-42、4-43 分別為 50℃（負荷階
= 40%、疲勞壽命週次數= 24303）及 75℃（負荷階= 30%、疲勞壽命 週次數= 33139）高溫環境下之 SEM 照片，從圖 4-42 中可以發現，黏 著劑中有少數「掀起」的情況，這表示 50℃環境下，還是有部份黏著 劑從中間破壞。此外大部份黏著劑皆為平緩的形狀，此種破壞模式即 為「界面破壞」模式主導。這表示環境溫度上升造成黏著劑與被黏著 材料間的黏合力下降，試片改經由界面處產生疲勞破壞，因此可以觀 察到平緩的黏著劑層及鋁合金表面。圖 4-43 則可觀察到，絕大部份都 是平緩的黏著劑及鋁合金表面，提升至 75℃的高溫環境使得單邊搭接 試片的界面破壞模式更加明顯。
圖 4-44 為五種溫度環境下，疲勞實驗中夾頭位移隨著週次數增加 至試片破壞的影響。從圖中可以看出在各種溫度環境下，單邊搭接試 片在疲勞實驗中的夾頭位移量都十分平穩，直到試片破斷前夾頭位移 量才有增加的情況。這表示單邊搭接試片在疲勞實驗中，試片的疲勞 壽命大部分都在形成裂縫，而裂縫形成後在短時間內就破壞。圖中也 可以看出，溫度效應對試片夾頭位移量隨著週次數增加至試片破壞的 行為，並不會有明顯影響。
4-3-2 溫濕度混合效應對單邊搭接黏著劑接合件疲勞特性之影響
在溫濕度混合環境下，單邊搭接黏著劑接合件之疲勞實驗結果如 表 4-7 所示。本文同樣利用（4-2）式描述單邊搭接試片之疲勞壽命曲 線。圖 4-45~4-46 為兩個溫濕度混合環境下，單邊搭接試片疲勞試驗週
次數之應力-壽命曲線。由圖 4-45~4-46 結果可以看出，（4-2）式之 Power Law 型式可充分描述單邊搭接試片在兩個溫濕度混合環境下之疲勞壽 命曲線。兩種溫濕度混合環境下單邊搭接試片之材料常數a、b列於表 4-8。由此結果可以得到兩個溫濕度混合環境下單邊搭接試片對應一百 萬週次以下之虛擬疲勞極限。
本研究同樣利用疲勞實驗之最大負荷及利用（4-1）式求出最大平 均剪應力值，針對不同溫濕度混合環境下之單邊搭接黏著劑接合件進 行疲勞強度之比較。圖 4-47 為兩種溫濕度混合環境下之疲勞壽命曲 線，並加入室溫常濕環境（25℃/50%RH）之結果作比較。由圖中可以 看出，同樣在 25℃環境下，高濕度環境（85%RH）之疲勞強度較一般 濕度環境（50%RH）有些微下降，但差距很小；而同為 85%RH 高濕 度環境下，溫度提高至 75℃時，疲勞強度即有大幅度下降。由此可知，
高濕度環境對單邊搭接試片之疲勞強度影響不大；而高溫仍然對單邊 搭接試片之疲勞強度有明顯影響。圖 4-48 為兩種不同溫濕度混合環境 下，單邊搭接試片之疲勞實驗負荷階對疲勞壽命曲線圖，並加入室溫 常濕環境（25℃/50%RH）之結果作比較。從圖中可以直接看出在兩種 不同的溫濕度混合環境下，溫濕度混合效應對單邊搭接黏著劑接合件 疲勞強度的影響，尤其高溫高濕度環境下，單邊搭接試片的疲勞強度 較靜態強度有更明顯的減弱。
圖 4-49~4-50 為兩種溫濕度混合環境下，單邊搭接黏著劑接合件 在疲勞實驗後的巨觀破壞面。疲勞實驗後透過目測觀察試片破壞面的 結果發現，兩種溫濕度混合環境下之黏著劑接合件受到疲勞負載時，
其破壞模式與靜態實驗結果相同，所有試片皆屬混合破壞模式。在室 溫高濕度（25℃/85%RH）環境下，黏著劑破壞佔較大比例；在高溫高
濕度（75℃/85%RH）環境下，界面破壞佔較大比例。此部份也使用 SEM 觀察破壞面的細部破壞模式。圖 4-51 為 25℃/85%RH（負荷階=
40%、疲勞壽命週次數= 29356）室溫高濕度環境下以 SEM 觀察試片 的疲勞破壞模式，從圖中可以發現，黏著劑層破壞模式與室溫常濕（25
℃/50%RH） （負荷階= 40%、疲勞壽命週次數= 30488）環境下相同，
是以「撕裂」的模式破壞，屬於「黏著劑破壞」。圖 4-52 為 75℃/85%RH
（負荷階= 35%、疲勞壽命週次數= 16088）高溫高濕度環境下之 SEM 照片，從圖 4-52 中可以發現，絕大部份都是平緩的黏著劑及乾淨的鋁 合金表面，屬於「界面破壞」模式主導。
圖 4-53 為兩種溫濕度混合環境下，試片夾頭位移隨著週次數增加 至試片破壞的影響，並加入室溫常濕（25℃/50%RH）環境之結果作比 較。從圖中可以看出在兩種溫濕度混合環境下，單邊搭接試片在疲勞 實驗中的夾頭位移量都十分平穩，直到試片破斷前夾頭位移量才有增 加的情況。這表示單邊搭接試片在疲勞實驗中，試片的疲勞壽命大部 分都在形成裂縫，而裂縫形成後在短時間內就破壞。圖中也可以看出，
溫濕度混合效應對試片夾頭位移量隨著週次數增加至試片破壞的行 為，並不會有明顯影響。
4-3-3 負荷階大小對單邊搭接黏著劑接合件疲勞破壞模式之影響
完成所有溫濕度環境下之疲勞實驗後，以 SEM 觀察試片破壞面 的破壞模式後可以發現，在同一溫濕度環境下，單邊搭接試片之疲勞 破壞模式皆為混合破壞，但並非所有試片之細部破壞模式皆相同，會 因負荷階大小造成試片破壞模式有些許差別。圖 4-54a、b 分別為 25
℃室溫環境，高負荷階（負荷階 40%、疲勞壽命 30488）與低負荷階
（負荷階 20%、疲勞壽命 749995）下之疲勞破壞面 SEM 照片。由圖 中可以發現，高負荷階下之疲勞破壞模式主要為「黏著劑破壞」模式 所主導，而低負荷階下之疲勞破壞模式大部份轉變為「界面破壞」模 式主導。圖 4-55a、b 分別為 25℃/85%RH 室溫高濕度環境，高負荷階
（負荷階= 40%、疲勞壽命週次數= 29356）與低負荷階（負荷階= 25%、
疲勞壽命週次數= 294577）下之疲勞破壞面 SEM 照片，由此圖也可以 看出相同趨勢。另外，在低溫（0℃、-25℃）環境下，單邊搭接黏著 劑接合件在各種負荷階下之疲勞實驗後，試片破壞面之破壞模式皆為
「 黏 著 劑 破 壞 」 模 式 主 導 ； 在 高 溫 （ 50℃ 、 75℃ ） 與 高 溫 高 濕
（75℃/85%RH）環境下則皆為「界面破壞」模式主導。
表 4-1 七種溫濕度環境下鋁合金試片之靜態拉伸機械性質
溫濕度環境 楊氏係數
E (GPa)
浦松比
剪力模數 G(GPa) -25℃ 74.67 0.39 26.81
0℃ 68.24 0.21 28.22 25℃ 69.92 0.31 26.59 50℃ 65.68 0.28 25.35 75℃ 66.74 0.28 26.09 25℃/85%RH 69.18 0.36 25.35 75℃/85%RH 63.76 0.30 27.36
表 4-2 七種溫濕度環境下環氧樹脂黏著劑試片之靜態拉伸機械性質
溫濕度環境 楊氏係數
E (MPa)
浦松比
剪力模數 G(Gpa) -25℃ 4354.58 0.34 1.63
0℃ 2846.98 0.38 1.03 25℃ 862.33 0.47 0.29
50℃ 0.27 － －
75℃ 0.21 － －
25℃/85%RH 833.56 0.47 0.28
75℃/85%RH 0.21 － －
表 4-3 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件之靜態極限強度 環境條件 極限負載；Fult（N）
-25℃ 2044.0 0℃ 2087.6 25℃ 2210.2 50℃ 1264.7 75℃ 861.8
表 4-4 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件之靜態極限強度 環境條件 極限負載；Fult（N）
25℃/50%RH 2210.2 25℃/85%RH 2030.1 75℃/85%RH 602.3
表 4-5 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件之疲勞實驗破壞週次數 疲勞壽命週次數；Nf
負荷階； max
ult
F
F -25℃ 0℃ 25℃ 50℃ 75℃
70%
5324 4740 2568
－ － － －
65%
12915 16720 10584
－ － － －
60%
15011 31518 17171
8303 8342 4597
－ － －
50%
177226 218917 222805
39807 29581 23970
7281 2357 1296
1783 1590 2883
－
45% －
155373 41308 52601
－ － －
40%
1000000 571541 1000000
225479 140186 162341
30488 10721 19686
15768 4925 24303
1219 3596 1542
35% － －
79213 12695 40200
37633 29932 40736
3005 4862 11539
30% －
1000000 1000000 1000000
235730 59861 185940
96711 112938 147222
18655 30864 33139
25% － － － －
143716 124542 159817
20% － －
749995 490419 1000000
708907 1000000 1000000
658694 1000000 1000000
表 4-6 五種溫度環境下單邊搭接黏著劑接合件之疲勞壽命曲線材料參 數
材料常數 -25℃ 0℃ 25℃ 50℃ 75℃
a 26.36 32.12 27.98 15.11 5.87 b -0.101 -0.137 -0.148 -0.144 -0.108
表 4-7 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件之疲勞實驗破壞 週次數
疲勞壽命週次數；Nf 負荷階； max
ult
F
F 25℃/50%RH 25℃/85%RH 75℃/85%RH 50%
7281 2357 1296
－ －
40%
30488 10721 19686
29356 12274 12877
4187 3399 5831 35%
79213 12695 40200
68398 31961 17292
7631 11018 16088 30%
235730 59861 185940
229991 65802 121917
30670 28006 36741
25% －
294577 118817 202933
124319 36964 57454 20%
749995 490419 1000000
568517 1000000 1000000
1000000 1000000 1000000
表 4-8 兩種溫濕度混合環境下單邊搭接黏著劑接合件之疲勞壽命曲線 材料參數
材料常數 25℃/50%RH 25℃/85%RH 75℃/85%RH
a 27.98 29.66 5.24
b -0.148 -0.161 -0.127
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Strain(%)
0 50 100 150 200
S tr e s s (M P a )
-25oC 0oC 25oC 50oC 75oC
25oC/85%RH 75oC/85%RH
圖 4-1 七種溫濕度環境下鋁合金試片之應力-應變曲線
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Strain(%)
0 10 20 30 40 50 60
S tr e s s (M P a )
-25oC 0oC 25oC 50oC 75oC
25oC/85%RH 75oC/85%RH
圖 4-2 七種溫濕度環境下環氧樹脂黏著劑試片之應力-應變曲線
