复合材料力学近况简介前言.PDF

複合材料 力學近況簡介 葉孟考 黃婉萱 宋棋舜呂俊麟 國立清華大學 動力機械工程學系 30013 新竹市光復路二段 101號 一、前言 複合材料泛指由兩種或兩種以上的材料組合而成的材料，利用不同材料性質來補強 整體結構的性能 。人類使用複合材料的歷史悠久，例如幾千年前人類就已經使用乾草混 合泥土製成的複合材料來做為建材 。 複合材料通常由補強材料(Reinforcement)與基材(Matrix)組成：補強材料通常擁有高 強度與高勁度 ，負責承受整體複合材料之外加負載 ；基材則負責傳遞負載並將補強材料 黏著固定 。補強材料的種類很多 ，如顆粒 、纖維等 ，最常用的為纖維補強材料 ，如碳纖 維 、玻璃纖維 、硼纖維與克 維拉纖維(Kevlar) ；常見的基材有高分子材料 、碳 、金屬或 陶瓷等材料。補強材料與基材是構成複合材料最基本的單元 ，使用上可依據需求製造出 不同複合材料結構體 ，如疊層板 、三明治結構等 ，都是常用的複合材料結構 。 近年來由於奈米材料的發展 ，補強材料有許多新的選擇 ，如奈米碳管、奈米黏土等。 奈米碳管有高抗拉強度以及高模數，且有可撓性以及高長徑比 (Aspect Ratio) ，適合做為 複合材料的補強材料 ；此外，奈米碳管的導電性質使其應用範圍更加廣泛 ，如做為感測 器 、致動器、應變規等 ，都是可能的發展 方向 。奈米黏土也是目前新興的奈米材料，天 然黏土是常見且便宜的原料 ，若以粒徑達奈米尺寸的黏土為補強材料與高分子材料摻 合 ，能提升 材料的強度。奈米複合材料提供複合材料一個新的願景，但實務上仍有些 技術需要克服 ，如分散性的問題 。補強材料的補強效果與其在基材中的分散性有關 ，若 補強材的尺寸達奈米等級 ，如何將補強材均勻分散就會是一大挑戰 。 補強材料與基材構成的複合材料擁有質輕且高強度 、高 勁度之優異機械性質，能 耐 酸鹼及耐磨耗 ，因此應用範圍很廣 。如航空產業中 ，飛機的機身 、尾翼 、副翼就常使用 複合材料 ；汽車產業中 ，一般車身外殼、車架 、保險桿等 ，也都有應用到複合材料的例 子。 1 複合材料的產生是材料發展上必然的趨勢 ，隨著科技的進步和突破 ，未來的應用將 會越來越多 。本文從常見的複合材料結構介紹起，再簡介奈米補強材料如奈米碳管 、奈 米黏土，並提出奈米碳管在機電性質上的應用 ；最後以複合材料在工業上的應用結束 。 二、複合材料結構 2.1疊層結構 (Laminate) 疊層結構圖一( )是常見的複合材料結構物 ，通常是由單 「層 」(Lamina)進行疊層加 工而成。單層單體通常是由纖維強化物與基材 組成，常見的 纖維有玻璃纖維 、碳纖維或 人造纖維；纖維可以是連續 、不連續 ，方向上可以是單軸向或是編織 形式。 圖一 、疊層結構 (Laminate)由單層 (Lamina)進行疊層加工而成 疊層結構的優點是可依照需要 ，針對結構的受力來設計疊層的層數與纖維排列角 度 ，且只要使用適當的模具 ，結構物的形狀可有多種變化 ，如腳踏車的車身或高爾夫球 桿的管狀或曲面結構都可使用疊層結構 。 疊層結構最主要的缺點就是容易形成 「脫層 」(Delamination) 。脫層是指疊層結構在 層與層間產生分離的現象 ；產生脫層的原因很多，可能是在疊層加工過程中黏著結合不 良 、含雜質 ，或疊層結構完成後受衝擊 、疲勞 、熱應力等 ，使得疊層結構在強度較低的 基體產生裂紋 ，再沿著層與層間的延伸形成脫層 。 脫層對整體結構的機械性質有很大的影響 ，有許多學者針對此問題 進行研究。Hallet 和 Jiang[1]嘗試以拉伸試驗來探討不同疊層角度之碳纖維疊層板在含基材裂縫時 ，脫層 的產生 、延伸與不同的破壞模式 。大多數論 文在討論疊層板的脫層問題時將脫層簡化 ， 2 但疊層結構內可能含多層脫層 ，形狀也不一定規則。因此 ，有學者以多層脫層來進行探 討 ，如 Wang和 Lezica[2]曾研究含兩層脫層之玻璃纖維疊層板 [0/±45/0] 之抗壓強度，並