海水老化與外力頻率於玻璃纖維複合材料疲勞特性之探討

碩士論文

Department of Engineering Science and Ocean Engineering College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

海水老化與外力頻率於玻璃纖維複合材料疲勞特性之探討

Frequency and water immersion aging effect in fatigue performance of fiber reinforced composites

劉百育 Pai-Yu Liu

指導教授：黃心豪 博士 Advisor: Hsin-Haou Huang, Ph.D.

中華民國 107 年 1 月

January, 2018

口試委員會審定書

致謝

在研究所求學期間，我要特別感謝我的指導教授黃心豪老師，不論在研究、做 人、人生都給了我許多的幫助及指引，即便過程中也曾有許多衝突與矛盾，但老師 總是願意細心的叮嚀指導，讓我能夠冷靜的面對一切問題，細想起這兩年半中所發 生的點點滴滴，覺得自己確實是收穫良多，研究上，老師願意讓我們不顧慮太多的 去做自己的嘗試；做人上，老師端正了我的態度並使我改正了許多惡習，或許在老 師眼中仍舊不足，但今後的路上必會記取老師這兩年半的教誨，使自己成為更好的 人；人生上，老師無時無刻都在提醒我們做好人生規劃，常常分享自身的人生經歷 讓我們參考，這種亦師亦友的相處方式，為本以為會十分煩悶的研究所生活，添上 了不少有趣的色彩，在此想誠懇的向老師說：謝謝您的教誨，我一定會時刻提醒自 己。

另外，本文的完成須要感謝邱逢琛教授與科技部計畫編號106-3113-E-002-002- CC2 浮游式黑潮發電先導機組設計開發關鍵技術之研究的支持，讓我可以在實驗 操作上面盡量的去嘗試，不用顧慮太多經費的問題，在此，想再次感謝邱老師與科 技部的付出。

實驗室的同學，大家雖然涉足的領域有所差異，但當有問題時仍然願意彼此提 供幫助，給予許多良好的意見，讓我受益良多；另外，特別要感謝高中及大學的摯 友，軒宇、王麗、文記、柏丞、君彥、柏沛、冠凱、湯傑、兆洋、穎璇，謝謝你們 總是願意在我困頓的時後，給予我信心及力量，讓我能夠勇往直前的面對所有問題，

願大家能夠永遠保留著這份友情，緣起不滅。其餘在一路上幫助過我的人，只恨紙 短情長，恕無法一一列出，但仍衷心感謝你們給予的幫助，謝謝。

最後，我必須感謝我的家人，謝謝爸爸、媽媽和哥哥對我的付出，出生至今，

給您們造成的困擾一定遠大於其他孩子，也謝謝您們總是無條件的支持我的決定，

讓我能夠自由的選擇自己人生的路，感謝您們。

中文摘要

隨著海洋能源開發技術的發展，擁有黑潮資源的台灣也已開始著手於相關技 術研發，然而，台灣海洋能源開發技術剛起步而尚未成熟，尤其目前仍未有深水環 境下，漂浮式渦輪發電機組運作的實例，許多流場、結構相關之議題仍尚待釐清，

因此，建立適當的模擬與實驗，預先掌握黑潮渦輪發電機組的狀況及疲勞年限，實 有其必要性。

本文以實驗的方式，探討台灣大學團隊所設計的黑潮渦輪發電機組複合材料 葉片的疲勞性質。首先，利用 SCRIMP 製程製作黑潮渦輪發電機葉片設計疊層之

複合材料試片，並透過高溫水浴的方式，模擬黑潮渦輪機組葉片在海水下運作 20

年後的老化情況，再利用MTS 810 材料試驗機進行三點彎曲的擬靜態試驗，得到 此疊層下之複合材料所能承受之的極限應力，並根據極限應力百分比進行疲勞試 驗。疲勞試驗中，探討老化、外力頻率與溫度對於複合材料疲勞壽命之影響，了解 材料疲勞特性，根據本研究的結果顯示，老化後的試片破壞形式會有所改變，頻率 的升高會使溫度上升，導致複合材料疲勞壽命下有顯著的下降，然而，在進行有效 降溫後發現，若能夠排除高頻率外力對材料造成的溫度效應，則複合材料的疲勞壽 命將隨著外力頻率增加而有增加的趨勢，本文亦比較了疲勞壽命曲線與剛性衰減 曲線，兩者均能提供不錯的預測。

關鍵詞：黑潮發電、複合材料、疲勞試驗、海水老化、疲勞壽命曲線。

ABSTRACT

With the development of marine energy technology, Taiwan, with the Kuroshio resources, has also started in the related technology research and development. However, Taiwan's marine energy technology has just started and not fully developed. In particular, there are no precedent of operating floating turbine generators in deepwater environments.

Issues related to flow fields and structures remain uncertain. Therefore, it is necessary to establish appropriate simulation and experiment, as well as to predict the status and fatigue life of the floating Kuroshio turbine generators.

In this research, fatigue characteristics of composite blades of the Kuroshio turbine generator designed by the Taiwan University team is discussed experimentally. First, we used Seemann Composite Resin Infused Molding Process(SCRIMP) to fabricated the designed composite coupon of the turbine blade, and simulated the aging conditions of the blades of the Kuroshio turbine under seawater operation for 20 years through hot water bath. Three-point bending quasi-static test, carried out by MTS 810, to obtain the ultimate stress that the composite under this laminate can withstand,then Fatigue tests were performed according to the percentage of ultimate stress. In the fatigue test, aging, external force frequency and temperature effects on the fatigue life of the composite material are discussed. According to the results of this study, the damage form of the test composite coupon after aging will be changed. The increase of the frequency will cause the temperature rise, then resulting in a significant decrease in the fatigue life. However, after effective cooling, excluding the temperature effect caused by the high frequency on the material, the fatigue life of the composite tends to increase with the increase of the external force frequency. This paper also compares S-N curve with stiffness loss model, both of them can provide good predictions.

Keywords: Kuroshio turbine, composite material, fatigue test, seawater aging, S-N curve

目錄

口試委員會審定書 ... i

致謝 ... ii

中文摘要 ... iii

ABSTRACT ... iv

目錄 ... v

圖目錄 ... vii

表目錄 ... x

第1 章 緒論……….. ... 1

1.1 研究動機. ... 1

1.2 研究背景. ... 1

1.3 研究目的. ... 4

1.4 重要性與貢獻 ... 4

1.5 名詞對照與符號說明 ... 5

1.5.1 中文名詞與英文翻譯對照表 ... 5

1.5.2 符號說明 ... 5

第2 章 文獻回顧 ... 7

2.1 複合材料………. ... 9

2.2 複合材料疲勞研究 ... 11

2.3 材料老化研究 ... 13

2.4 外力頻率研究 ... 14

第3 章 研究方法 ... 16

3.1 研究流程………..………..16

3.2 理論說明 ... 16

3.2.1 疲勞壽命曲線(S-N curve) ... 17

3.2.2 剛性衰減模型(Stiffness loss model) ... 18

3.2.3 疲勞累積損傷理論(Fatigue cumulative damage) ... 20

3.2 實驗說明 ... 21

3.3.1 複合材料說明 ... 21

3.3.2 玻璃纖維複合材料板製作流程 ... 24

3.3.3 加速老化 ... 32

3.3.4 玻璃纖維複合材料試片尺寸與參考實驗規範 ... 33

3.3.5 彎曲試驗與疲勞試驗說明 ... 37

第4 章 結果………. ... 39

4.1 彎曲試驗 ... 39

4.2 疲勞試驗 ... 43

4.2.1 2Hz 疲勞試驗結果 ... 43

4.2.2 不同外力加載頻率之疲勞試驗結果 ... 46

第5 章 討論 ………..48

5.1 試片強度 ... 48

5.2 疲勞壽命 ... 49

5.2.1 實驗值、S-N curve 與剛性衰減模型 ... 49

5.2.2 疲勞破壞位置 ... 51

5.2.3 降溫測試 ... 52

5.2.4 降溫之疲勞試驗 ... 55

第 6 章 結論與未來展望 ... 59

6.1 結論 ... 59

6.2 未來展望 ... 60

參考文獻 ... 62

圖目錄

圖 1-1 黑潮夏季(左)、冬季(右)流況[1] ... 2

圖 1-2 Gulf Stream Turbine[2] ... 3

圖 1-3 黑潮渦輪發電機葉片側視圖(左)、剖面圖(右) ... 3

圖 2-1 波音 767 複材重量比例[8] ... 7

圖 2-2 波音 787 材料重量比例[9] ... 8

圖 2-3 軍用機材料比例[10] ... 8

圖 2-4 複合材料假牙 A. PFC B. SFC [11]... 9

圖 2-5 基材破壞[13] ... 9

圖 2-6 纖維斷裂[17] ... 10

圖 2-7 纖維層間脫層破壞[20] ... 10

圖 2-8 不同疊層方向[22] ... 11

圖 2-9 不同疊層順序示意圖[26] ... 11

圖 2-10 (a)複合材料與等向性材料損傷累積比較 (b)複合材料三階段破壞過程 [32, 39] ... 13

圖 2-11 浸泡時間與破壞型式關係[44] ... 14

圖 2-12 ASTM A723 鋼於外力頻率 1.5Hz 與 15Hz 之疲勞壽命曲線[50] ... 15

圖 2-13 碳纖維複合材料於外力頻率 4Hz、40Hz 與 375Hz 的疲勞表現[53] ... 15

圖 3-1 研究流程圖 ... 16

圖 3-2 應力時域性訊號示意圖 ... 17

圖 3-3 疲勞模數示意圖 ... 18

圖 3-4 SCRIMP 製程配置圖 ... 24

圖 3-5 清潔強化玻璃表面並於周圍黏貼膠泥 ... 25

圖 3-6 玻璃纖維排列於強化玻璃 ... 26

圖 3-7 離模布鋪設於玻璃纖維上方 ... 26

圖 3-8 煞車系統與吸出管配置 ... 27

圖 3-9 導流網配置 ... 27

圖 3-10 前置處理完成圖 ... 28

圖 3-11 真空磊與型號 ... 28

圖 3-12 環氧樹酯規格 ... 29

圖 3-13 環氧樹酯固化劑規格 ... 30

圖 3-14 調配完成之樹酯基材 ... 30

圖 3-15 樹酯基材灌注過程 ... 31

圖 3-16 烘箱與型號 ... 31

圖 3-17 試片完成圖 ... 32

圖 3-18 老化試驗配置 ... 33

圖 3-19 三點彎曲夾具圖 ... 33

圖 3-20 三點彎曲試驗示意圖 ... 34

圖 3-21 寬度厚度量測示意圖 ... 34

圖 3-22 MTS-810 材料試驗機及實驗配置 ... 38

圖 4-1 自製未老化之複合材料彎曲試驗力與位移圖 ... 39

圖 4-2 自製未老化之複合材料彎曲試驗應力應變圖 ... 40

圖 4-3 自製老化之複合材料彎曲試驗力與位移圖 ... 41

圖 4-4 自製老化之複合材料彎曲試驗應力應變圖 ... 41

圖 4-5 廠商製複合材料彎曲試驗應力應變圖 ... 42

圖 4-6 廠商製複合材料彎曲試驗應力應變圖 ... 42

圖 4-7 自製試片與廠商製試片破壞形式比較 ... 43

圖 4-8 未老化試片實驗、S-N curve 與剛性衰減曲線... 44

圖 4-9 試片 2-6 經 2500000 次循環後試片表面狀態 ... 44

圖 4-10 老化試片疲勞試驗結果與 S-N curve... 44

圖 4-11 老化試片實驗、S-N curve 與剛性衰減曲線 ... 45

圖 4-12 未老化試片與老化試片 S-N curve 比較... 45

圖 4-13 FLUKE Ti450 ... 47

圖 4-14 不同頻率溫度變化及疲勞壽命關係 ... 47

圖 5-1 未老化試片彎曲試驗破壞位置 ... 48

圖 5-2 老化試片彎曲試驗破壞位置 ... 48

圖 5-3 [48]所呈現結果 ... 49

圖 5-5 較低循環應力試片破壞位置 ... 51

圖 5-6 老化試片破壞位置 ... 52

圖 5-7 冷卻槍 ... 52

圖 5-8 6Hz 溫度變化 ... 53

圖 5-9 10Hz 溫度變化 ... 54

圖 5-10 冷卻試片溫度變化比較 ... 55

圖 5-11 未老化試片降溫疲勞壽命與頻率關係 ... 57

圖 5-12 老化試片降溫疲勞壽命與頻率關係 ... 58

表目錄

表 3-1 實驗材料表 ... 22

表 3-2 複合材料疊層資料 ... 22

表 3-3 第一組試片尺寸 ... 34

表 3-4 第二組試片尺寸 ... 35

表 3-5 第三組式片尺寸 ... 35

表 3-6 第四組試片尺寸 ... 36

表 3-7 廠商試片尺寸 ... 36

表 4-1 自製未老化之複合材料彎曲試驗結果 ... 40

表 4-2 自製老化之複合材料彎曲試驗結果 ... 41

表 4-3 廠商製複合材料彎曲試驗結果 ... 43

表 4-4 未老化試片疲勞試驗結果 ... 45

表 4-5 老化試片疲勞試驗結果 ... 46

表 4-6 相同外力、不同外力加載頻率之疲勞壽命 ... 46

表 5-1 試片比較表 ... 48

表 5-2 未老化試片理論值與實驗結果誤差比較 ... 50

表 5-3 老化試片理論值與實驗結果誤差比較 ... 50

表 5-4 降溫測試實驗結果 ... 53

表 5-5 降溫後 13.6Hz 疲勞壽命 ... 55

表 5-6 相同循環應力及頻率下降溫與未降溫疲勞試驗比較 ... 56

表 5-7 未老化試片循環應力 342MPa 於不同加載頻率之降溫疲勞試驗結果 ... 56

表 5-8 未老化試片循環應力 296MPa 於不同加載頻率之降溫疲勞試驗結果 ... 56

表 5-9 未老化試片循環應力 262MPa 於不同加載頻率之降溫疲勞試驗結果 ... 57

表 5-10 老化試片循環應力 330MPa 於不同加載頻率之降溫疲勞試驗結果 ... 57

表 5-11 老化試片循環應力 315MPa 於不同加載頻率之降溫疲勞試驗結果 ... 57

表 5-12 老化試片循環應力 280MPa 於不同加載頻率之降溫疲勞試驗結果 ... 58

第1章 緒論

1.1 研究動機

本世紀，隨著各項科技蓬勃發展，全球碳排放量始終居高不下，為避免碳排放 所造成的問題，各國均開始積極開發替代性的綠色能源。台灣身為地球村的一份子，

亦不遺餘力的推動綠色能源的發展，根據4C offshore 網站所統計世界各風場風速，

全世界前25 名最佳風場中，有 15 個區域位於台灣所屬的海域，因此，台灣確實具 備了世界級的風場資源。此外，地理環境屬於島國的台灣，有流向固定且不隨季節 轉換的洋流經過，四面環海的地理特性使我們具備了相當豐富的海洋能量資源，其 中，流經台灣東部的黑潮中心流速約為0.5 至 2.0 m/s，經台電公司初步調查，預計 可以達到3 GW 以上的能量，除了風力發電以外，相較於其他綠色能源，如：潮汐、

波浪、溫差及鹽差能等週期型海洋能源，洋流能穩定提供的能量，為台灣具有開發 潛能的綠色能源之一，而將洋流能擷取的轉換器就是洋流渦輪機組。然而，不同於 風力發電葉片，洋流渦輪機組需長期於水下運作，葉片材料勢必因長期浸泡於海水 中，使性質有所改變。因此，本文將針對目前黑潮洋流渦輪機組預期使用之玻璃纖 維複合材料疊層進行研究，探討海水老化及外力頻率對於黑潮洋流渦輪機組葉片 之影響，期望自己能夠為維護環境永續發展的願景，進一份棉薄之力。

1.2 研究背景

台灣東岸有黑潮通過，如圖 1-1 所示，黑潮為全世界第二大洋流，僅次於墨西 哥灣流，自菲律賓始，穿越台灣東部海域，朝著日本往東北向流動，再與親潮相遇 後，匯入東巷的北太平洋洋流。

黑潮寬度約200 多公里，厚度約 500~1000 公尺，流速大約為 0.5~2.0 公尺/秒，

流經台灣東部海域的黑潮，估計擁有每秒 20~40 百萬噸的巨大流量，黑潮若以平 均流速1.0(公尺/秒)計算，總平均功率估計可達 15.7 百萬千瓦；若以平均流速 1.5(公 尺/秒)計算，則總平均功率估計可達 35 百萬千瓦。

黑潮被視為重要的海洋能源，其主要能源來自於水體流動的動能，因此其流速 及流量是估計其總平均功率的重要參數，可由式 1 表示：

P =1

2𝜌𝐴𝑣³ 式 1

其中，P 表示總平均功率，ρ 表示海水平均密度，𝑣為平均流速，A 為流體通過 之截面積。

除了能源總量外，能量密度也與再生能源開發的可行難易度密切相關，於此特 別值得一提的是，台灣地區所擁有的黑潮能源，具有流向不會隨著季節更動的優勢，

如圖 1-1，使得開發可行的難易度降低了許多。就黑潮動能的能量密度而言，由於 海水密度約為空氣密度的868 倍(將因所處環境因素，如水溫、氣溫等等條件而略 有差異)，因此相對於風力發電所能供給之能量，洋流發電可使用較低的速度達到 相同的能量密度。以一般優良風場之平均風速 9.0(公尺/秒)做比較，根據錯誤! 找 不到參照來源。計算可得，當黑潮平均流速達0.94(公尺/秒)時，將與一般優良風場 具備相同的能量密度。因此，流速介於 0.5~2.0(公尺/秒)的黑潮，確實具備了不亞 於優良風場的高能量密度。

圖 1-1 黑潮夏季(左)、冬季(右)流況[1]

在美國有 J. Robson 針對洋流速度更高的墨西哥灣流能源利用而發明了 Gulf Stream Turbine，如圖 1-2 所示，該機組的設計和分析雖已有相當之成熟度，惟尚 未有實機測試實績。

在日本，2008 年~2010 年期間日本財團法人機械振興協會(ENAA)發展百萬瓦

級洋流發電機系統為目標的計畫，渦輪機葉片直徑33 公尺環形葉片渦輪機之浮游

式洋流發電系統概念，錨碇於 200 公尺水深，浮游於 50~100 公尺水深，於流速

由上述可知，國外已經投入洋流發電技術發展。考慮到未來會在台灣東部黑潮 洋流位於水深較深的海域佈放，台灣東部深海域並不適合傳統著底式渦輪機，因其 系統安裝及維修將相當困難，所以採用錨繫於海床且漂浮在適當水深下進行機組 運轉的浮游式洋流渦輪機，較適合台灣東部深海域。

圖 1-2 Gulf Stream Turbine[2]

現行預期所使用於黑潮渦輪發電機的葉片，係由國立台灣海洋大學的辛敬業 教授所設計[3]，外形如圖 1-3 所示，箭頭方向表纖維鋪設 0 度方向，整體是以玻 璃纖維複合材料包覆芯材C70-130，然而，由於台灣黑潮渦輪發電機處於剛起步階 段，仍有相當多議題尚待探討，且其工作環境是位於水下，若結構發生損壞，不僅 維修工程困難，且費用亦相當龐大，因此，基於成本與安全考量，葉片的使用年限 是不可忽視的重點之一。本研究以實驗的方式，探討黑潮渦輪發電機所使用之葉片 材料，進行試片老化與改變外力頻率對於疲勞壽命的探討，期望未來在台灣東岸佈 放黑潮渦輪發電機組時，能提供複合材料葉片使用年限的推估。

圖 1-3 黑潮渦輪發電機葉片側視圖(左)、剖面圖(右)

1.3 研究目的

複合材料疲勞試驗的研究日益增多，然而，由於複合材料的問題過於複雜，影 響疲勞性質的因素非常多，包括纖維種類、疊層順序等等，雖然眾多學者提出了許 多不同的方法去預測複合材料的疲勞破壞進程，然而，卻仍未有一準確預測的理論 出現，所以現階段仍須透過實驗的方式來了解複合材料的疲勞特性。此外，由於黑 潮渦輪發電機組工作環境為水下，材料浸泡於海水中勢必會使得材料性質有所改 變，了解複合材料受到老化後的疲勞性質改變。Sun[4]發現外力頻率對於複合材料

疲勞性質亦有所影響，在 ASTM 材料試驗的規範中，建議進行疲勞試驗時的循環

應力頻率應設定於 1 Hz~5 Hz 之間，但結構所實際承受的外力頻率卻未必是位於 這個範圍之內，因此，了解複合材料老化前、後的疲勞性質，外力頻率對於複合材 料疲勞壽命的影響，為本研究之目的。

1.4 重要性與貢獻

本文所研究探討的玻璃纖維複合材料，其疊層是根據台灣大學團隊所設計的 黑潮渦輪發電機葉片結構進行鋪設，在工程上，疲勞破壞常為ㄧ位隱形殺手，近年 來多起的飛機失事，均是由於金屬發生疲勞破壞的關係，因此，為了避免黑潮渦輪 發電機有類似的情形出現，本文參考黑潮渦輪發電機的工作環境進行海水老化與 外力頻率的探討，了解上述變因會使得材料性質如何改變。

近幾十年來，複合材料的相關研究非常巨量，雖已有多位學者分別對海水老化 及外力頻率這兩類議題進行研究，然而，影響複合材料疲勞壽命的變因非常廣泛，

最常見的差異就是在使用纖維種類與疊層順序的差異，這二者的差異往往會使得 材料疲勞性質亦有所差異，也不易得到兩者之間交互作用後對疲勞壽命的影響，此 外，在多數頻率探討的實驗中，並無將溫度進行控制，使得在探討疲勞性質的改變 時，常將原因歸咎於溫度上升所造成的，而本文在進行外力頻率探討的實驗時，持 續使用冷卻槍吹拂試片，使得試片在實驗進行中溫度不會有所改變，更針對性的探 討出頻率與疲勞性質的關係。

最後，本文希望藉由同時進行海水老化與外力頻率的實驗，除了要了解黑潮渦 輪發電機葉片材料的疲勞性質外，亦希望能夠給予投身於複合材料疲勞研究的夥

1.5 名詞對照與符號說明 1.5.1 中文名詞與英文翻譯對照表

中文名詞 英文翻譯

纖維增強複合材料 Fiber reinforced composite

基材破裂 Matrix cracking

脫層 Delamination

疊層 Stacking sequence

含水量 Water content

孔隙率 Porosity

疲勞壽命 Fatigue life

潛變 Creep

老化 Aging

極限強度 Ultimate strength

釕 Ruthenium

聚雙環戊二烯 Dicyclopentadiene

疲勞極限 Fatigue limit / Endurance limit

國際標準組織 International Organization for Standardiztion

疲勞壽命曲線 S-N curve

疲勞模數 Fatigue modulus

1.5.2 符號說明

符號 單位 中文說明

𝜎_𝑚𝑎𝑥 MPa 最大應力

𝜎_𝑚𝑖𝑛 MPa 最小應力

∆σ MPa 應力範圍

𝜎_𝑎 MPa 施加應力

𝜎_𝑚 MPa 平均應力

R - 應力比

N 次 循環次數

𝜎_𝑢 MPa 極限強度

E MPa 楊氏模數

F MPa 疲勞模數

D - 破壞率

第2章 文獻回顧

複合材料的概念，早在公元前1500 年，出現在埃及的稻草強化磚塊中。在東 周時期(770 BC~721 BC)，鑄劍師已經發現當青銅加入 14%的錫，可以有效提升劍 身的韌性，使利劍兼具高強度及高韌性的特性，此為古代利用複合材料很好的一個 實例。時至今日，複合材料在近幾十年內，更加廣泛的使用在我們的生活中，除了 擁有質地輕、價格便宜、耐高溫、耐腐蝕等優點，更因為複合材料剛性強，能達到 工業界使用之標準，因此被廣泛的使用於各界。

在文獻[5]中，Bergan 等人討論了纖維增強複合材料應用於海洋工業時，在設 計與分析時遇到的問題，並利用實驗針對纖維增強複合材料的材料特性進行研究。

文獻[6, 7]則是針對了風力發電機及潮汐發電機的複合材料葉片進行了探討，了解 當複合材料葉片在不同的運作環境時，是否具有足夠的強度及安全性。文獻[8]則 是提及了複合材料應用於航太產業的演進，最早期的飛機並未使用複合材料進行 製作，到後續則開始大量使用複合材料進行製造，如圖 2-1，然而，最近新型的波 音787，如圖 2-2，複合材料的使用重量已達全機的 50%[9]，文獻[10]針對了飛機 進行了調查，為最大化重量效益，軍用機複合材料比重從過往的2%增加到了 24%，

如圖 2-3，足以見得複合材料對於航太產業有相當的效益。

圖 2-1 波音 767 複材重量比例[8]

圖 2-2 波音 787 材料重量比例[9]

圖 2-3 軍用機材料比例[10]

在 文 獻[11] 中 ， 研 究 PFC(particulate filler composites) 與 SFC(short-fiber reinforced composite)兩種不同的複合材料假牙性質，如圖 2-4，比較兩者在設計的 條件狀況下，何者會有更佳的使用性質。由上述的文獻我們可以了解到，複合材料 的應用十分廣泛，在海洋工程、能源、航太及生醫，都可以見到複合材料的身影。

圖 2-4 複合材料假牙 A. PFC B. SFC [11]

2.1 複合材料

由於複合材料廣泛的使用在我們的生活中，因此，複合材料的破壞也成為我們 無法避免的問題，然而，材料發生破壞的機制與材料種類息息相關，相較於金屬材 料而言，複合材料的破壞機制較為複雜。為了解複合材料在受到外力或反覆應力的 作用下，而發生缺陷、裂紋，進而導致材料發生破壞的研究繁多，其中包含：

Kashtalyan[12]、Kobayashi[13]及 Todoroki[14]針對基材破裂的機制進行探討；

Sevkat[15]、Berbinau[16]及 Yuan[17]針對纖維斷裂的機制進行探討；Hitchen[18]、

Seif[19]及 Samborsky[20]則是針對了纖維層間的脫層破壞進行研究。

圖 2-5 基材破壞[13]

圖 2-6 纖維斷裂[17]

圖 2-7 纖維層間脫層破壞[20]

除了單純的破壞機制外，Tohgo[21]及 Kawai[22, 23]更進一步的纖維疊層方向 對於破壞機制的影響進行了探討；Kumazawa[24]、Bechel[25]及 Will[26]則是進行 了一系列不同疊層順序，對於破壞機制影響的實驗。這類多種因素耦合的結果，較 一般金屬材料的破壞特性複雜多變，因此，找出能評估並預測複合材料破壞的模型，

仍是現今研究的主要方向之一。

圖 2-8 不同疊層方向[22]

圖 2-9 不同疊層順序示意圖[26]

2.2 複合材料疲勞研究

在文獻[27]中提到，疲勞壽命對於工程元件是一個常重要的問題，它直接影響 到的是工程結構的使用年限，在文獻[28]中提及了許多我國風力發電機組故障的原 因，在複合材料葉片的部分，雖文中僅提及雷擊破壞及表面損傷，然表面損傷往往 是由裂紋造成的疲勞損傷所引起，文中亦提及因此，了解複合材料的疲勞性質並預 測其疲勞壽命，亦是一十分重要的主題。

然而，因為影響複合材料的疲勞性質過多，包含基材性質、纖維材質、介面結 構、纖維方向、含水量、孔隙率等等因素，均會對複合材料的疲勞性質造成影響，

加上複合材料在疲勞破壞的過程中，應力會不斷重新分配，使得此主題複雜性相當 高，但仍有許多學者為解決的此問題努力。

在早期對於疲勞性質的研究中，Konur[29]提出了當使用的纖維不同時，複合 材料所擁有的疲勞特性也會不同，此外，Echtermeyer[30]也提出了一個假設，低週 疲勞時，複合材料的疲勞特性主要是由基質，而在高週疲勞時，基質對於複合材料 的疲勞特性影響逐漸減小，此一假設也是目前大家所廣泛接受的觀點。Shih[31]透 過實驗證明了，當複合材料交界面越強時，複合材料的疲勞特性亦會隨之提升。除 了影響疲勞特性因素的研究外，亦有相當多的學者著力於疲勞模型的建立，由於前 面提到的因素，使得複合材料的損傷累積機制與一般常見的等向性材料十分不同，

Shiri[32]的文獻中有將複合材料與一般等向性材料的損傷累積機制進行比較，如圖 2-10(a)，並詳述了複合材料破壞的三個主要階段，第一階段損傷累積會由於基材出 現非交互作用的裂紋而迅速上升，第二階段損傷累積則會趨向平緩，裂紋開始交會 作用並造成脫層的現象發生，最後，在第三階段時，損傷累積會再次由於纖維開始 斷裂而迅速的上升，如圖 2-10(b)。Degrieck[33]在 2001 年時將過去關於複合材料 的破壞機制進行了整理，並依照預測方法，將模型分為三大類型：

1. 疲勞壽命模型(Fatigue life models)：

此模型是利用透過實驗取得材料疲勞壽命曲線，並配合材料定壽期圖型 來得到材料的疲勞狀況，可以預測材料所能夠承受的循環負載次數，並沒有將 微觀的材料損傷累積機制納入考慮，因此所預測出來的疲勞壽命會有較大的 誤差，但由於進行上較為簡單、方便，因此此類模型在工程上仍然被廣泛使用，

亦不斷有改良的研究進行，如 Sarfaraz[34]即有提出混合式的模型，進行疲勞 壽命的預測。

2. 殘餘剛性模型(Residual stiffness models)：

此模型主要是透過實驗了解材料楊氏模數的衰減，再利用參數化的方式 去描述剛性的衰減，當材料剛性衰減至剛性強度極限時，即認定假定材料受到 損壞，進而推求出材料的疲勞壽命，此方法目前亦有眾多的研究進行，如 Shiri[35]與 Peng[36]均是進行此模型的研究。

3. 逐步損傷模型(Progressive damage models)：

裂紋生長等等，此類型的模型由於考慮了微觀的破壞機制，因此可以得到較為 準確的結果，但也正因為考慮了微觀的破壞機制，因此需要的資源也相對較高，

不論電腦運算資源，或是實驗數據，需求的資源量都較上述其他二種方式更高，

Shokrieh[37]與 Clay[38]均就此模型進行研究。

圖 2-10 (a)複合材料與等向性材料損傷累積比較 (b)複合材料三階段破壞過程 [32, 39]

2.3 材料老化研究

由於複合材料在工程上使用的比例日益增加，然而，工程上的材料不同於一般 消耗品，往往會有較長的使用年限需求，以風力發電機為例，DNN-RP-C203[40]規 範中，使用的設計年限為20 年，由此可見，材料在 20 年間的穩定性及各項力學表 現，亦是一不可忽視的問題。

材料老化的研究，早在 1977 年時 Struik[41]就有對塑料與玻璃進行老化的研 究，時至今日，此類的研究亦不斷進行著，其中，由於能源產業大量使用複合材料 做為不論風力發電、洋流發電、潮汐發電等渦輪機組之葉片，兼且前文提到複合材 料與一般等向性材料差異甚大，但在各產業複合材料的使用比重又逐漸增加，因此 近年有相當多學者進行複合材料老化的相關研究。

1999 年，Gellert[42]將四種不同基材製成的複合材料，浸泡於 30 度的海水中 進行老化，並將部分試片施加外力使潛變發生，探討不同基材之複合材料，於老化 後的彎曲強度與重量變化。2009 年，Maurin[43]將相同的複合材料，分別浸泡於 20、

40、60 度的海水中 9 個月，對破壞時的極限強度進行探討。2012 年，Boisseau[44]

針對潮汐發電葉片所使用的複合材料，進行海水老化後的強度測試，發現該葉片所

(a) (b)

使用的複合材料破壞型式，隨著老化時間增加而由壓縮破壞逐漸轉為拉伸破壞，如 圖 2-11。2013 年，Davies[45]對於潮汐發電葉片材料進行探討，比較使用玻璃纖維 與碳纖維的複合材料，經老化後的疲勞表現差異；Boisseau[46]探討了不同種類的 玻璃纖維對於複合材料疲勞壽命的影響，並比較複合材料老化前後的疲勞表現。

2016 年，Rao[47]探討了經歷相同條件，不同老化時程的玻璃纖維複合材料的機械 性質差異；Hu[48]進行了釕元素催化的聚雙環戊二烯、樹酯與玻璃纖維複合材料的 海水老化試驗，發現老化時程一個月的複合材料，在疲勞表現上會有所增加，但當 老化時程來到三個月時，疲勞表現會有明顯的下降趨勢；Kennedy[49]針對潮汐發 電葉片所使用的複合材料進行了加速老化與疲勞試驗，進行疲勞試驗時，使用防水 膠帶將複合材料與海水密封，整個實驗過程試片均是在有水的環境中進行。

圖 2-11 浸泡時間與破壞型式關係[44]

2.4 外力頻率研究

一般而言，在探討金屬材料的疲勞性質時，我們認為與外力頻率的關係是獨 立的，意即外力頻率對於金屬的疲勞壽命並無關係，1994 年，Fujczak[50]針對 ASTM A723 鋼進行不同外力施加頻率的研究發現，在外力頻率 1.5Hz 與 15Hz 時，對於材料的疲勞壽命並無明顯的影響，如圖 2-12。然而，由於前文所述，複 合材料的性質與金屬材料的性質差異甚大，因此，亦有諸多學者對於外力頻率與 複合材料疲勞壽命進行探討。1993 年，Shuler[51]進行了 1Hz、10Hz 與 50Hz 三 種外力頻率的疲勞試驗，發現複合材料剛性衰減的程度會隨外力頻率增加而增 加，且外力頻率增加時，材料疲勞極限亦會隨之下降。1994 年，Holmes[52]將外

顯著的下降，且不同的外力頻率會使試體溫度上升，上升幅度隨頻率增加而增 加。2003 年，Staehler[53]進行了 4Hz、40Hz 與 375Hz 三種外力頻率的疲勞試 驗，發現當外力頻率為4Hz 與 40Hz 時，兩者在頻勞性能方面表現並無太大的差 異，然而，當外力頻率增加到375Hz 時，試體疲勞壽命則有明顯的下降趨勢，如 圖 2-13。2011 年，Ruggles-Wrenn[54]在 1200℃的高溫下，探討了 0.1Hz、1Hz 與 10Hz 的外力頻率，對於陶瓷基複合材料的影響，發現在高溫的環境下，隨著外力 施加頻率的增加，材料壽命有顯著的下降。

圖 2-12 ASTM A723 鋼於外力頻率 1.5Hz 與 15Hz 之疲勞壽命曲線[50]

圖 2-13 碳纖維複合材料於外力頻率 4Hz、40Hz 與 375Hz 的疲勞表現[53]

第3章 研究方法

3.1 研究流程

本文的研究流程如圖 3-1 所示，首先，先根據黑潮渦輪發電機所使用的複合 材料疊層，自行製作複合材料，同時，為探討工藝所造成的誤差，亦同時請先進複 合材料製作複合材料，並將製作完的複合材料板，送至輝哲電機進行水刀切割，以 確保試片尺寸不會有過大的誤差，再將切割完畢的試片利用水浴槽隔水加熱的方 式進行海水老化。而後，將試片進行彎曲試驗，用以了解試片彎曲強度，再根據試 片彎曲強度設定疲勞負載，進行後續的疲勞試驗。最後，探討頻率與溫度之關係，

並以冷卻鎗進行試片降溫測試，確定冷卻鎗有足夠的降溫效果後，進行降溫後的疲 勞試驗，比較降溫前後試片疲勞壽命之差異，進行結果討論。

圖 3-1 研究流程圖

3.2 理論說明

(International Organization for Standardization，以下簡稱 ISO)在 1964 年發表的

《General principles for fatigue testing of metals》一文中提及，疲勞的定義為：金屬 材料在應力或應變的反覆作用下，所發生的性能變化。此定義也廣泛的使用於非金 屬材料當中。引起疲勞破壞的循環應力，往往遠小於靜態試驗所取得的安全負載，

因此疲勞常是結構與機械失效的主要原因之一，因此疲勞壽命的研究確有其重要 性。

3.2.1 疲勞壽命曲線(S-N curve)

對於一固定應力振幅的時域性疲勞負載，一般而言，我們會以正弦波的形式表 示，如圖 3-2，這樣表示方式的優點在於，可以藉由下列任兩種參數描述此負載特 性，設最大應力為𝜎_𝑚𝑎𝑥、最小應力為𝜎_𝑚𝑖𝑛，則應力範圍∆σ(stress range)表示如式 2、

應力振幅𝜎_𝑎(stress amplitude)表示如式 3、平均應力𝜎_𝑚表示如式 4 與應力比 R 的表 示如式 5：

∆σ = 𝜎_𝑚𝑎𝑥 − 𝜎_𝑚𝑖𝑛 式 2

𝜎_𝑎 = ∆σ/2 = (𝜎_𝑚𝑎𝑥− 𝜎_𝑚𝑖𝑛)/2 式 3 𝜎_𝑚= (𝜎_𝑚𝑎𝑥+ 𝜎_𝑚𝑖𝑛)/2 式 4

R = 𝜎_𝑚𝑖𝑛/𝜎_𝑚𝑎𝑥 式 5

圖 3-2 應力時域性訊號示意圖

材料疲勞壽命曲線(S-N curve)為描述材料疲勞性質，曲線之建立為特定應力範 圍施加於材料上，紀錄在該應力範圍∆σ作用下，材料由完好狀態至發生疲勞破壞

𝜎

𝜎

∆σ

𝜎

所能承受之反覆次數 N，藉由施加多組不同應力範圍∆σ與所測得之循環次數，將 實驗數據轉換成該材料之S-N curve。S-N curve 被廣泛使用在疲勞的問題當中，其 優點在於使用上十分便利，但缺點很明顯是當所需分析之材料無S-N curve 時，需 要透過大量、長時間的實驗來取得S-N curve。

S-N curve 表示如式 6 與式 7：

𝑁 = 𝑎̅(∆σ)^−𝑚 式 6

取對數後亦可表示為

log 𝑁 = log 𝑎̅ − 𝑚 log(∆σ) 式 7 其中，N 為理論循環次數，∆σ為應力範圍，𝑎̅與 m 則需要透過實驗得到。

3.2.2 剛性衰減模型(Stiffness loss model)

剛性衰減模型是由疲勞模數(fatigue modulus)所延伸出來的理論，疲勞模數是 由Hwang[55]於 1984 年提出，其概念是基於材料會隨著循環荷載次數的增加而產 生相對應的應變，如圖 3-3，假設材料經過 n 次的循環應力作用後，則疲勞模數則 為原點位置與第 n 次所施加應力

𝜎

圖 3-3 疲勞模數示意圖

𝐹(𝑛, 𝑟) = 𝜎_𝑎

𝜀(𝑛) = 𝜎_𝑢 𝑟

𝜀(𝑛) 式 8

其中，F(n.r)為第 n 循環應力的疲勞模數，𝜀(𝑛)為第 n 次循環應力所產生的應

力。

由式 8 可以寫出疲勞模數的初始及最終狀態，如式 9 與式 10：

𝐹(0, 𝑟) = 𝐹₀ ≈ 𝐸₀ 式 9

𝐹(𝑁, 𝑟) = 𝐹_𝑓 式 10

疲勞模數在初始狀態為𝐹₀，假設與楊氏模數𝐸₀(elastic modulus)相同，疲勞模數 在循環到破壞次數N 時為𝐹_𝑓，其中，相同材料的𝐹₀應相同，並與施加的應力無關，

𝐹_𝑓則應隨著施加應力而改變。

若假設施加應力與任意應力作用的循環次數下所產生的應變成線性關係，則 可將應力應變關係寫為式 11：

𝜎_𝑎 = 𝐹(𝑛_𝑖)𝜀(𝑛_𝑖) 式 11 其中，𝐹(𝑛_𝑖)為在第𝑛_𝑖個循環應力時的疲勞模數，在上述的假設下，疲勞模數 與施加的應力大小並無關，只與應力循環次數有關，因此可將疲勞模數改寫為式 12：

𝐹 = 𝐹(𝑛) 式 12

𝑑𝑁為與循環應力次數相關的冪函數，如式 13：

𝑑𝐹

𝑑𝑛 = −𝐴𝑐𝑛^𝑐−1 式 13

其中A、C 為材料常數，須透過實驗取得。將式 13 由𝑛₁積分至𝑛₂，如 𝐹(𝑛₂) − 𝐹(𝑛₁) = −𝐴(𝑛₂^𝑐− 𝑛₁^𝑐) 式 14 將初始狀態𝑛₁=0 與破壞時𝑛₂=N 帶入式 14，可得式 15：

𝐹_𝑓− 𝐹₀ = −𝐴𝑁^𝑐 式 15

將式 15 進行整理可得式 16：

𝑁 = [𝐵(1 − 𝐹_𝑓/𝐹₀)]^1𝑐 式 16 其中

𝐵 = 𝐹₀/𝐴

當循環應力作用所產生的應變，與材料極限應變相等時，材料將達到破壞，因 此，可以寫出式 17 與式 18：

𝜎_𝑢 = 𝐸₀𝜀_𝑢 = 𝐹₀𝜀_𝑢 式 17

𝜎_𝑎 = 𝐹_𝑓,𝑎𝜀_𝑓,𝑎 式 18

其中，𝜎_𝑢為極限應力，𝜀_𝑢為極限應變，𝜎_𝑎為施加的應力，𝐹_𝑓,𝑎為在施加應力𝜎_𝑎 下達到破壞時的疲勞模數，𝜀_𝑓,𝑎為在施加應力𝜎_𝑎下達到破壞時的應變。根據應變破 壞準則(𝜀_𝑢 =

𝜀

𝐹_𝑓,𝑎 𝐹₀ =𝜎_𝑎

𝜎_𝑢 = 𝑟 式 19

因此，可以再將式 16 改寫為式 20：

𝑁 = [𝐵(1 − 𝑟)]^1𝑐 式 20 式 20 中，在透過實驗取得材料常數 B 及 c 後，即可對該材料進行疲勞壽命估 算。

3.2.3 疲勞累積損傷理論(Fatigue cumulative damage)

累積損傷理論是在疲勞壽命的研究中最重要的理論之一。對於結構受到等振 幅循環負載時，我們可以求出結構較危險部分的應力，並由疲勞壽命曲線來估算 在不同應力情形下，結構達到破壞所需要的循環次數。但若結構承受的應力不是 等振幅負載，就無法直接透過疲勞壽命曲線得到預期使用年限。由於黑潮渦輪發 電機是受到洋流負載的作用，實際上所承受的負載勢必將為不等振幅負載，要進 一步估算預期使用年限，除了使用疲勞壽命曲線外，亦必須要借助疲勞累積損傷 理論進行。

目前，在結構疲勞壽命研究中，最廣泛被使用的累積損傷理論為Miner 線性 累積損傷理論，Miner 線性累積損傷理論是假設在疲勞試驗中，試片在等振幅負 載的作用下，結構損傷程度與應力循環次數將成線性累積的關係，當損傷累積到 一臨界值時，結構即產生破壞。

Miner 線性累積損傷理論：

假設作用於試片的循環應力振幅值為𝜎₁，循環次數為𝑛₁

，

𝑛

若材料繼續受到應力振幅值為𝜎₂的作用，則同理在經過𝑛₂循環次數候，

造成的損傷值為𝑛₂/𝑁₂。此時材料總累積損傷值D，等於上述兩損傷值之總 和，如式 22：

𝐷 = 𝐷₁+ 𝐷₂ = 𝑛₁ 𝑁₁+𝑛₂

𝑁₂ 式 22

當總累積損傷值D=1 時，則表示材料發生疲勞破壞。

由以上關係可知，當結構受到多種應力振幅循環作用下，總累積損傷值 可寫為式 23 或式 24：

𝐷 = 𝐷₁+ 𝐷₂+ 𝐷₃+ ⋯ = 𝑛₁ 𝑁₁+𝑛₂

𝑁₂+𝑛₃

𝑁₃ + ⋯ 式 23 或

𝐷 = ∑𝑛_𝑖 𝑁_𝑖

𝑘

𝑖=1

式 24 此即為Miner 線性疲勞累積損傷理論的方程式。

3.2 實驗說明

3.3.1 複合材料說明

本文主題在於外力頻率與海水老化，對於玻璃纖維複合材料疲勞特性的影響，

表 3-1 為單一玻璃纖維複合材料版所需之實驗材料表，表中，矽臘是為了使強化 玻璃表面具有高度光滑性，在玻璃纖維複合材料製作完畢以後，能夠方便離膜使用；

樹酯及樹酯固化劑為真空灌注法專用樹酯，為玻璃纖維複合材料基材；離模布是為 了讓樹酯不會直接黏附於真空袋上，避免離模時造成試片損傷；VAP 布是為了防 止抽氣過程中，樹酯通過吸出管進入抽氣機中，造成機器損壞。此外，為了統一確 保試片品質，試片製作地點，全都位於台灣大學工程科學及海洋工程學系結構實驗 室內進行，製作時間為2017 年 4 月份。模具採用無色透明強化玻璃，一方面可重 複使用，另一分面則是因為透明玻璃模具，可方便觀察模具內側的纖維、真空袋、

樹酯灌注等步驟是否有問題，提供即早補救或捨棄製作的方便性，而試片製作尺寸 長寬皆為 40 公分，玻璃纖維 DBLT-1800/M-225 及 L-900 也裁切成相同尺寸，其

中，DBLT-1800 是由四層玻璃纖維織成，配向角依序為 45∘、0∘、-45∘、90∘，

1800 代表每平方公尺重 1800 克，L900 是由單層玻璃纖維織成，配向角為 0∘，疊 層詳細資料如表 3-2。所有玻璃纖維複合材料製作過程使用之器具、樹酯用量，及 不可重複使用的導流網尺寸、真空袋面積大小、抽真空管長度等等，均有一致的尺 寸大小，其中，試片製作過程，除玻璃纖維積層外，還會鋪上離模布及樹酯導流網，

面積尺寸均有定量。SCRIMP 製程(真空輔助樹脂轉注成型法)最後步驟為封上真空 袋，因為玻璃纖維複合材料鋪設為三維構件，因此真空袋面積須大於試片，尺寸固 定為長寬均 80 公分。試片製作中，實驗耗材均向先進複合材料公司購置。

表 3-1 實驗材料表

材料 尺寸/型號 用量

玻璃纖維 DBLT-1800/M-225 40 cm*40cm/片 共 5 片

玻璃纖維 L-900 40cm*40cm/片 共 4 片

導流網 40 cm*30 cm 1 片

真空袋 80 cm*80 cm 1 片

離模布 45 cm*45 cm 1 片

VAP 布 7 cm*5 cm 1 片

矽臘 黑珍珠 約3 g

酒精 唐鑫75%潔用酒精 約5 ml

環氧樹酯 SWANCOR 2511-1A 約1126.2g

環氧樹酯固化劑 SWANCOR 2511-1BF 約337.8 g

強化玻璃 60 cm*60 cm 1 片

表 3-2 複合材料疊層資料

纖維層序 纖維種類 配向角

1 DBLT-1800 45∘

2 DBLT-1800 0∘

3 DBLT-1800 -45∘

5 L-900 0∘

6 DBLT-1800 45∘

7 DBLT-1800 0∘

8 DBLT-1800 -45∘

9 DBLT-1800 90∘

10 L-900 0∘

11 DBLT-1800 45∘

12 DBLT-1800 0∘

13 DBLT-1800 -45∘

14 DBLT-1800 90∘

15 L-900 0∘

16 DBLT-1800 45∘

17 DBLT-1800 0∘

18 DBLT-1800 -45∘

19 DBLT-1800 90∘

20 L-900 0∘

21 DBLT-1800 45∘

22 DBLT-1800 0∘

23 DBLT-1800 -45∘

24 DBLT-1800 90∘

圖 3-4 SCRIMP 製程配置圖

3.3.2 玻璃纖維複合材料板製作流程

玻璃纖維複合材料板製作過程主要分為前置處理、抽真空與漏氣補強、樹酯灌 注及加熱固化四個階段，詳細實驗步驟說明如下：

1. 前置處理：

首先，利用刮刀將強化玻璃模具表面殘餘的樹酯、異物清除，並使用酒精

將強化玻璃表面擦拭清理，擦拭完畢後放置約 1~2 分鐘，等待強化玻璃表面

的酒精揮發，酒精完全揮發後，在強化玻璃周圍預先黏貼將用來固定真空袋的 膠泥，如圖 3-5，並將矽臘反覆塗抹在強化玻璃表面兩次，以確保模具表面能 夠相當光滑，在進行最後脫模動作時，試片能夠完整拖離模具，不至於破損或 使表面凹凸不平。再將玻璃纖維按照黑潮渦輪機葉片設計疊層排列，如圖 3-6，

玻璃纖維鋪設完畢後，在其上覆蓋一塊大小相近的離模布，用以隔絕灌注的樹 酯，避免直接黏附於真空袋上，使脫模時造成樹酯基材破損或表面凹凸不平，

如圖 3-7，離模布鋪設完畢後，需開始建構煞車系統與吸出管，將 VAP 布下

放置一大小相近之離模布，再將吸出管置於VAP 布上方，須特別注意的是，

吸出管須利用導流網進行纏繞，避免因抽真空時真空袋受到吸出管口的尖刺

吸出管

導流網

吸入管 膠泥

煞車 玻璃模具

離模布

VAP 布

透玻璃纖維，不會因導流網加速致使樹酯灌注不完全，造成複合材料品質不佳，

如圖 3-8，完畢後，將導流網置於纖維區域的離模布上方，讓樹酯灌注時能夠 延著導流網的孔隙加速灌注，但須注意應與煞車系統保持一距離，避免樹酯未 浸透纖維及到達吸出管，如圖 3-9，最後，將吸入管置於灌注入口上方，並用 最開始配置的膠泥將真空袋黏貼於強化玻璃板上，即完成前置處理，最終完成 圖如圖 3-10。

圖 3-5 清潔強化玻璃表面並於周圍黏貼膠泥

圖 3-6 玻璃纖維排列於強化玻璃

圖 3-8 煞車系統與吸出管配置

圖 3-9 導流網配置

圖 3-10 前置處理完成圖

2. 抽真空與漏氣補強：

前置處理準備完成後，須進行的下一步為抽真空與漏氣補強的動作，首先，

先利用夾具將吸入管夾緊，並開啟真空磊進行抽氣，本研究所使用的真空磊為 Alcatel Pascal 2010 SD，如圖 3-11 所示，待真空磊抽氣完畢後，需暫時關閉真 空磊，靜置一段時間，檢查真空磊表針是否有漏氣，若有漏氣，則需利用膠泥 將漏氣處進行補強，再重新開啟真空磊抽氣，反覆此動作，直至真空磊表針穩 定維持在一大氣壓處，不再漏氣為止。

3. 樹酯灌注：

確定模具能夠維持真空不再漏氣後，開始進行樹酯基材調配，由於環氧 樹酯本身無法固化，因此需加入入固化劑幫助其固化，本研究使用的樹酯為 SWANCOR 2511-1A、固化劑為 SWANCOR 2511-1BF，詳細資料如圖 3-12 及，圖 3-13，環氧樹酯與固化劑調配比例為 10：3，本研究所鋪設纖維一平 方米重量為13725 克，而本研究製作的複合材料板面積為 0.16 平方米，按照

預期纖維含有率60%的條件下去計算，得到製作單一片複合材料板時，需要

的環氧樹酯重量為1126.2 克；需要的固化劑重量為 337.8 克，按照此計算結 果進行樹酯基材調配，再利用攪拌棒將環氧樹酯與固化劑攪拌均勻，攪拌時 切記力道不可過猛，使混合時在樹酯基材溶液中產生氣泡，否則將會影響製 作出來的複材品質，樹酯基材調配完畢後，如圖 3-14，開始進行樹酯基材灌 注，首先，將吸入管置於樹酯基材內，並開啟真空磊進行抽氣，再將吸入管 上的夾具鬆脫，讓樹酯基材開始灌注，如圖 3-15。

圖 3-12 環氧樹酯規格

圖 3-13 環氧樹酯固化劑規格

圖 3-14 調配完成之樹酯基材

圖 3-15 樹酯基材灌注過程

4. 加熱固化：

加熱固化為試片製作的最後一個步驟，待樹酯基材灌注完畢後，將灌注好

樹酯基材的模具，使用夾具將吸入管及吸出管夾緊，送入已預熱至 50℃的烘

箱烘烤8 小時，烘箱如圖 3-16，使樹酯加熱固化，8 小時後，樹酯固化完成，

利用刮刀將試片由玻璃模具取下，即完成試片，如圖 3-17。

灌注基材在導

流網中移動

圖 3-17 試片完成圖

3.3.3 加速老化

本研究為探討黑潮渦輪發電機的葉片玻璃纖維複合材料，在海水中長時間運 行所造成的材料性質改變，因此需將試片進行加速老化，本研究所使用的加速老化 計算是參考Purnell[56]提出的加速老化公式，如式 25：

𝐹_𝐻,𝐿= 𝑒^{[−𝐸𝑅 (𝑇1𝐻−𝑇1𝐿)]} 式 25 其中，𝐹_𝐻,𝐿為加速倍率，E 為老化材料活化能，R 為氣體動力係數，𝑇_𝐻為加速 老化之溫度，𝑇_𝐿為試片工作溫度。其中，玻璃纖維與樹酯之活化能為-93KJ[49]，並 假設黑潮渦輪機將在 15℃的環境下工作，將上述條件代入式 25 中計算，可得當 使用加速老化溫度65.9℃，浸泡試片 512 小時，相當於將材料老化 20 年。

因此，本研究使用 JAANYUH CB-20 水浴槽進行老化試驗，將第一組(除 1-2 外)及第三組試片(除 3-13 外)進行老化，利用玻璃盒盛裝自行以海鹽調配 3.5 psu 的 鹽水以模擬海水，再將玻璃盒置入水浴槽內隔水加熱，如圖 3-18，另外，由於水

浴槽中水在加熱期間會蒸發，因此每隔24 小時均會補充水浴槽中的水，也會同時

進行水溫的溫度量測，以確保水浴槽在長時間的運作下溫度仍保持固定，並且每7

日會重新調配3.5 psu 的鹽水，將玻璃盒中的鹽水更換，以避免玻璃盒中水分蒸發，

使得老化的鹽度有所改變。

圖 3-18 老化試驗配置

3.3.4 玻璃纖維複合材料試片尺寸與參考實驗規範

本研究進行的三點彎曲強度及疲勞試驗，遵照ASTM D790、ASTM D7264 及 ASTM D7774 進行，試片尺寸亦遵照規範中規定，規範中提及，所有試片的跨距與

厚度比，至少需為16：1，試片寬度不可大於跨距的四分之一，考量到此疊層製作

出的複材板厚度為10~11 mm，因此，本研究使用跨距為 200 mm 的三點彎曲夾具，

如圖 3-19，並且，為減少自行切割所造成的實驗誤差，複材板皆由輝哲電機進行 水刀切割，將複材板切割為長250 mm、寬 25 mm 的試片尺寸，進行後續彎曲強度 及疲勞試驗，示意圖如圖 3-20。

圖 3-19 三點彎曲夾具圖

圖 3-20 三點彎曲試驗示意圖

然而，雖然試片是由廠商經水刀切割，但試片切割上仍會有所誤差，因此，進 行實驗前，仍需重新量測試片尺寸，量測方法是取試片進行三點彎曲時，與夾具所 接觸的三點，分別量測三點的寬度W1、W2、W3 及厚度 H1、H2、H3，再將量測 到寬度及厚度的三點數值取平均，作為試片的寬度及厚度，示意圖如圖 3-21。試 片尺寸如表 3-3、表 3-4、表 3-5、表 3-6 與表 3-7。

圖 3-21 寬度厚度量測示意圖

此外，進行試片彎曲試驗時，ASTM D790 及 ASTM D7264 中，亦有規定給予 試片變位的速率，至少需為每分鐘1 公釐(即 1 mm/min)，用以避免過大的應變率，

使得試片受慣性效應的影響無法忽略，因此，本研究進行彎曲試驗時，在試片破壞 前所給予的變位速率，均維持每分鐘1 公釐的速率。

表 3-3 第一組試片尺寸

試片編號 試片寬度(cm) 試片厚度(cm)

1-2 24.79 9.99

W1

W2

W3

H1 H2

H3

1-4 24.80 10.49

1-5 24.71 10.20

1-6 24.73 10.65

1-7 24.81 10.24

1-8 24.79 10.15

1-9 24.77 10.45

1-10 24.72 10.42

1-11 24.68 10.50

1-13 24.62 10.17

表 3-4 第二組試片尺寸

試片編號 試片寬度(cm) 試片厚度(cm)

2-2 24.76 10.42

2-3 24.75 10.26

2-4 24.76 10.30

2-5 24.82 10.46

2-6 24.79 10.45

2-8 24.77 10.30

2-9 24.82 10.42

2-10 24.85 10.43

2-11 24.86 10.48

2-12 24.81 10.34

2-13 24.78 10.45

表 3-5 第三組式片尺寸

試片編號 試片寬度(cm) 試片厚度(cm)

3-2 24.71 10.04

3-3 24.72 10.14

3-4 24.72 9.95

3-5 24.73 9.97

3-6 24.76 10.09

3-7 24.79 10.05

3-8 24.85 10.09

3-9 24.78 10.00

3-10 24.73 10.14

3-12 24.69 9.86

3-13 24.86 10.29

表 3-6 第四組試片尺寸

試片編號 試片寬度(cm) 試片厚度(cm)

4-5 24.78 10.42

4-6 24.72 10.36

4-7 24.79 10.30

4-8 24.75 10.48

4-9 24.86 10.43

4-10 24.69 10.43

4-12 24.76 10.42

表 3-7 廠商試片尺寸

試片編號 試片寬度(cm) 試片厚度(cm)

F1 25.14 11.08

F2 25.12 10.89

F3 25.09 10.98

T6 25.28 10.86

T8 25.17 10.91

T13 25.11 11.09

T14 25.14 11.12

T15 25.11 10.09

T16 25.19 10.87

T17 25.12 10.80

T18 25.07 10.96

T19 25.06 11.08

T20 25.08 11.12

3.3.5 彎曲試驗與疲勞試驗說明

本研究所進行之三點彎曲以及疲勞試驗均是使用MTS-810 10 噸動態試驗機進 行，如圖 3-22 所示，馬力由油壓系統驅動，彎曲試驗時藉由 MTS 控制器設定位 移速率1 mm/min，實驗所得到之電子訊號可藉由 MTS Station 軟體將訊號轉換時 間軸下對應之力荷重與位移數據，再經由Matlab 數值計算軟體，將每個力對應到 的位移數據繪製成力與位移圖及應力應變圖。疲勞試驗時，則是藉由Multipurpose Elite 軟體進行，設定外力幅值、頻率以及中止循環次數，並自訂實驗停止條件，本 研究中所使用的中止循環次數均為10⁸，但所有實驗過程中，並無試片超越中止循 環次數，僅2-6 試片為手動停止，並評估為永久壽命，因此除了 2-6 試片外，所有 實驗均是由於達到疲勞破壞而停止。此外，本研究所執行之疲勞試驗的頻率選擇，

除參考 ASTM 規範設計外，亦有針對黑潮測試機組進行模態分析，由於測試機組

轉子尺寸較小，因此自然頻率較大，約13.6 Hz，未來實際機組的尺寸若增加時，

自然頻率的會隨之減小，為了解頻率與疲勞壽命關係，後續才會針對高頻的疲勞負 載進行實驗探討，以確保於設計階段所進行的評估，是最保守的壽命評估。

圖 3-22 MTS-810 材料試驗機及實驗配置

上橫樑

冷卻槍 上夾頭

下夾頭

上、下

夾頭夾

合開關

第4章 結果

本研究中，利用水浴槽進行海水老化的試片為第一組試片(1-3 除外)以及第三 組試片(3-13 除外)，實驗結果分為兩個部分，第一個是彎曲試驗結果，藉由彎曲試 驗的實驗結果，先利用古典積層板理論進行比較，確認實驗量測到的楊氏模數與理 論值是否相吻合，用以避免製作過程的工藝，使得試片之間有過大的誤差，確認結 果與理論值沒有過大的差異後，再進一步根據彎曲試驗結果選定後續適當的疲勞

負載。第二個是疲勞試驗結果，分別進行了老化試片與未老化試片在 2Hz 的外力

作用下的疲勞壽命量測，並且藉由控制外力頻率探討外力頻率對於試片溫度所造 成的效應，並進一步了解對於試片疲勞壽命的影響，最後，使用冷卻鎗對試片進行 持續性的降溫，排除外力頻率所造成的溫度效應，單純探討外力頻率與試片疲勞壽 命的關係，其中，特別必須提到，進行溫度效應對於玻璃纖維複合材料的影響所使 用的試片，是使用廠商的試片所進行，而非自製的試片。

4.1 彎曲試驗

自製未老化之複合材料的彎曲試驗結果如表 4-1 所記錄，自製試片的平均破 壞荷重為4805.2N，平均破壞應力為 549.61 MPa，實驗之力與位移圖與應力應變圖 分別計錄於圖 4-1 與圖 4-2 中，再將圖 4-2 中各試片曲線斜率取出，此斜率即為 自製試片之楊氏模數。

圖 4-1 自製未老化之複合材料彎曲試驗力與位移圖

圖 4-2 自製未老化之複合材料彎曲試驗應力應變圖

表 4-1 自製未老化之複合材料彎曲試驗結果

試片編號 最大荷重(N) 破壞應力(MPa) 楊氏係數(MPa) 理論楊氏係數 (MPa) 1-2 4581.4 555.54 19189

16708 2-13 4881.1 541.58 18465

3-13 4850.4 552.72 17850 4-10 4907.7 548.61 18303

平均 4805.2 549.61 18451 16708

標準差 150.99 6.06 556.16 X

變異系數 3.14% 1.10% 3.01% X

自製老化之複合材料的彎曲試驗結果如表 4-2 所記錄，自製試片的平均破壞 荷重為3903.3N，平均破壞應力為 449.87 MPa，實驗之力與位移圖與應力應變圖分 別計錄於圖 4-3 與圖 4-4 中，再將圖 4-4 中各試片曲線斜率取出，此斜率即為自 製老化試片之楊氏模數。

圖 4-3 自製老化之複合材料彎曲試驗力與位移圖

圖 4-4 自製老化之複合材料彎曲試驗應力應變圖

表 4-2 自製老化之複合材料彎曲試驗結果

試片編號 最大荷重(N) 破壞應力(MPa) 楊氏係數(MPa) 理論楊氏係數 (MPa) 1-10 4057.3 453.50 18539

16708 1-11 3989.9 440.19 18133

3-2 3775.2 454.33 18509 3-6 3790.5 451.47 18537

平均 3903.3 449.87 18430 16708

標準差 141.83 6.57 198.14 X

變異系數 3.63% 1.46% 1.08% X

廠商製作的複合材料彎曲試驗結果如表 4-3 所記錄，廠商製作試片的平均破 壞荷重為4090.4N，平均破壞應力為 404.86 MPa，實驗之力與位移圖與應力應變圖 分別計錄於圖 4-5 與圖 4-6 中，再將圖 4-6 中各試片曲線斜率取出，此斜率即為 廠商製試片之楊氏模數，從表 4-3 的結果中可以發現，廠商所製作之複合材料，在 楊氏模數上與理論值有顯著差異，其楊氏模數與計算理論值E22 的 13079 MPa 較 為接近，因此將試片破壞形式進行比較，如圖 4-7，由圖 4-7 推論廠商試片 L900

纖維疊層方向應與自製試片所使用之疊層方向旋轉了90 度，因此後續疲勞壽命曲

線將不探討廠商製試片。

圖 4-5 廠商製複合材料彎曲試驗應力應變圖

圖 4-6 廠商製複合材料彎曲試驗應力應變圖

表 4-3 廠商製複合材料彎曲試驗結果

試片編號 最大荷重(N) 破壞應力(MPa) 楊氏係數(MPa) 理論楊氏係數 (MPa) F1 4272.6 415.25 12395

16426 F2 4040.3 406.82 12878

F3 3958.2 392.51 12971

平均 4090.4 404.86 12750 16426

標準差 163.07 11.50 311.03 X

變異系數 3.99% 2.84% 2.44% X

圖 4-7 自製試片與廠商製試片破壞形式比較

4.2 疲勞試驗

4.2.1 2Hz 疲勞試驗結果

本研究同時進行了自製複合材料試片未老化與老化後的疲勞試驗，參考ASTM D7774 中所建議，外力加載頻率不超過 5 Hz 為建議使用頻率，因此本研究使用 2 Hz 進行頻勞試驗，加載外力之應力比均為 0.1，未老化試片與老化試片實驗結果如 表 4-4 表 4-5 與所記錄，其中，表 4-4 的 2-6 試片為在經過 2500000 次循環後，

仍未出現明顯裂紋，如圖 4-9，因此認定此應力範圍已低於試片之疲勞極限，視為 永久壽命，此外，由表 4-5 及圖 4-10 可以觀察到試片 1-7 的循環次數較為不合理，

因此在後續圖形繪製與討論中，將不使用試片1-7 之數據，將兩組實驗循環應力正 規化，並將依照實驗數據所計算出的S-N curve 與剛性衰減曲線進行繪製，分別紀 錄於圖 4-8 與圖 4-11，未老化試片及老化試片之 S-N curve 比較，如圖 4-12。

圖 4-8 未老化試片實驗、S-N curve 與剛性衰減曲線

圖 4-9 試片 2-6 經 2500000 次循環後試片表面狀態

圖 4-10 老化試片疲勞試驗結果與 S-N curve

圖 4-11 老化試片實驗、S-N curve 與剛性衰減曲線

圖 4-12 未老化試片與老化試片 S-N curve 比較

表 4-4 未老化試片疲勞試驗結果

試片編號 循環荷重(N) 循環應力(Mpa) 循環次數(次)

2-2 225.0~2250 25.1~251 217157

2-3 466.6~4666 53.7~537 1276

2-4 433.3~4333 49.5~495 2062

2-5 237.5~2375 26.2~262 66729

2-6 140.0~1400 15.5~155 2500000+

2-8 300.0~3000 34.2~342 25518

2-9 225.0~2250 25.0~250 246837

2-10 266.6~2666 29.6~296 58338 2-11 316.6~3166 34.7~347 24532

2-12 400.0~4000 45.2~452 2579

表 4-5 老化試片疲勞試驗結果

試片編號 循環荷重(N) 循環應力(Mpa) 循環次數(次)

1-3 300.0~3000 34.9~349 3980

1-4 287.0~2870 31.5~315 32471

1-5 240.0~2400 28.0~280 121392

1-6 300.0~3000 32.0~320 18502

1-7 243.0~2430 28.0~280 20419

1-8 213.0~2130 25.0~250 1321172

1-9 270.0~2700 29.9~299 97549

1-13 280.0~2800 33.0~330 9762

4.2.2 不同外力加載頻率之疲勞試驗結果

本文除了進行2 Hz 的疲勞試驗外，亦使用廠商所製作之試片進行了不同外力 加載頻率的疲勞試驗，然而，在實驗過程中發現，當使用相同外力、不同加載頻率 時，會使試片溫度有顯著的改變，進而影響材料的疲勞壽命，因此，在實驗的過程 中使用FLUKE Ti 450 進行溫度量測，裝置如圖 4-13，實驗結果計錄於中表 4-6，

不同加載頻率使試片溫度上升，進而影響疲勞壽命如圖 4-14，後續探討將於第五 章詳述。

表 4-6 相同外力、不同外力加載頻率之疲勞壽命

試片編號 循環荷重(N) 循環應力(Mpa) 使用頻率(Hz) 循環次數(次)

T8 1000~2000 100~200 2 187625

T13 1030~2060 100~200 6 103067

T14 1040~2080 100~200 8 63377

T15 1000~2000 100~200 10 60891 T16 1000~2000 100~200 12 36208 T6 995~1990 100~200 13.6 19468

圖 4-13 FLUKE Ti450

圖 4-14 不同頻率溫度變化及疲勞壽命關係

第5章 討論

5.1 試片強度

表 5-1 為自製之玻璃纖維複合材料試片極限強度及楊氏模數比較，根據實驗

結果，可以清楚的觀察到試片在老化後，極限破壞強度有約18%的下降，而楊氏模

數並未因試片老化而發生改變。此外，本研究亦觀察了試片的破壞形式，發現當試 片進行海水老化前，破壞會發生於三點彎曲的壓縮面，如圖 5-1，然而經過加速老 化後的試片，破壞位置也會逐漸轉變至拉伸面，如圖 5-2，此結果與文獻[45]中所 得結果一致，試片再經過老化後，強度均會下降且破壞方式將由壓縮破壞轉為拉伸 破壞。

表 5-1 試片比較表

試片種類 平均極限強度(MPa) 平均楊氏模數(MPa)

自製未老化試片 549.61 18451

自製老化試片 449.87 18430

圖 5-1 未老化試片彎曲試驗破壞位置