有機無機混成材料慨述
授課教師:楊偉達博士
任職單位:工研院材化所
複合材料(Composite)
複合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料經過複合工藝而製備的多相材料。複合材料由連續相的基體和被基體包容的相增強體組成。
具有強度高、質量輕、耐高溫、耐腐蝕等優異性能,在綜合性能上超過了單一材料。
複合材料種類繁多,其中應用廣者,當屬纖維補強之高分子複合材料,而其基本的組成為纖維及高分子基材 。纖維是決定複合材料機械性質的主要因素,用以承受主要負載,限制微裂紋延伸,提高材料剛性與抗疲勞及潛變性能等,高分子一般分為熱塑性塑膠(thermoplastic)及熱固性塑膠(thermoset)兩大類,而纖維則有不同的材料及形式,常用的有玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維、硼纖維、及碳化矽纖維幾種,形式上有短纖、連續長纖、編織纖維、及粉狀纖維等。在航太工業的應用上,因為對於材料強度的要求較高,所以在強化纖維的選擇上,通常以連續長纖為主。 熱塑性塑膠
常溫下為固體的高分子塑膠,但加熱加壓後軟化或熔解,並能流動成形,冷卻時會回到原來的固體狀態,而此種作用可以重覆發生。熱塑性塑膠內部的高分子鏈為線性,在加熱過程中,會產生相互移動而使材料軟化。如 Nylon,PP,PBT,PPO,PC,ABS,PVC 等均屬於熱塑性塑膠。
熱固性塑膠
由分子鏈交鏈形成三度空間固體結構的塑膠,稱為熱固性塑膠。此種材料加熱加壓後,並不會軟化或熔解,因此無法製成所要之形狀。所以在製造上是採用未形成高分子塑膠的液態樹脂,於流動成形後,以促進劑或觸媒促使樹脂反應形成交鏈分子鏈的高分子固體。部份樹脂系統於反應時需要加熱。如不飽和聚酯樹脂,環氧樹脂,酚樹脂等,均為可形成熱固性塑膠的熱固性樹脂。
玻璃纖維
授課教師:楊偉達博士
任職單位:工研院材化所
複合材料(Composite)
複合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料經過複合工藝而製備的多相材料。複合材料由連續相的基體和被基體包容的相增強體組成。
具有強度高、質量輕、耐高溫、耐腐蝕等優異性能,在綜合性能上超過了單一材料。
複合材料種類繁多,其中應用廣者,當屬纖維補強之高分子複合材料,而其基本的組成為纖維及高分子基材 。纖維是決定複合材料機械性質的主要因素,用以承受主要負載,限制微裂紋延伸,提高材料剛性與抗疲勞及潛變性能等,高分子一般分為熱塑性塑膠(thermoplastic)及熱固性塑膠(thermoset)兩大類,而纖維則有不同的材料及形式,常用的有玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維、硼纖維、及碳化矽纖維幾種,形式上有短纖、連續長纖、編織纖維、及粉狀纖維等。在航太工業的應用上,因為對於材料強度的要求較高,所以在強化纖維的選擇上,通常以連續長纖為主。 熱塑性塑膠
常溫下為固體的高分子塑膠,但加熱加壓後軟化或熔解,並能流動成形,冷卻時會回到原來的固體狀態,而此種作用可以重覆發生。熱塑性塑膠內部的高分子鏈為線性,在加熱過程中,會產生相互移動而使材料軟化。如 Nylon,PP,PBT,PPO,PC,ABS,PVC 等均屬於熱塑性塑膠。
熱固性塑膠
由分子鏈交鏈形成三度空間固體結構的塑膠,稱為熱固性塑膠。此種材料加熱加壓後,並不會軟化或熔解,因此無法製成所要之形狀。所以在製造上是採用未形成高分子塑膠的液態樹脂,於流動成形後,以促進劑或觸媒促使樹脂反應形成交鏈分子鏈的高分子固體。部份樹脂系統於反應時需要加熱。如不飽和聚酯樹脂,環氧樹脂,酚樹脂等,均為可形成熱固性塑膠的熱固性樹脂。
玻璃纖維
常用的玻璃纖維一般可分為E-glass、S-glass、C-glass三種:
碳纖維
纖維其含碳量在99%以上者稱為石墨纖維,若在93%-95%之間,則稱為碳纖維。一般是在高溫下,以熱分解的方式將預形體(precursor)碳化成碳纖維。預形體的材質有嫘縈(rayon)、聚丙烯睛(PAN)纖維、及瀝青(pitch),而PAN系列碳纖維為目前商業化的主流。
嫘縈(rayon)
最早用來製作碳纖維的原料。 聚丙烯睛(PAN)纖維
成本比嫘縈絲低,製作的碳纖維在抗拉強度可達 2.4GPa~3.1 GPa,彈性率 0.2~0.5 GPa。 瀝青(pitch)
若將等向性分子瀝青直接做成碳纖維,因分子不具方向性,所以機械性質低,用途有限。如果在 400℃~450℃ 的惰性氣體中長期處理,可將瀝青轉換成液晶瀝青(liquid crystal)的形態,因具有優勢的分子順向排列,可製成高性能的碳纖維。
Kevlar纖維
Kevlar為商業化的芳香聚醯銨纖維,為人造的有機纖維。具低密度、高強度、及低成本。一般而言與高分子基材的相容性不佳,因此製成的複合材料抗壓強度較低。常用的有 Kevlar 29 及 Kevlar 49。
硼纖維
幾乎所有的硼纖維都用來製作硼/環氧樹脂複合材料,硼纖維是用化學氣相沉積法將硼沉積於鎢絲上,鎢絲表面和硼反應後其直徑約17.5 mm,而硼纖維的直徑約 100 mm,如下圖所示。因為硼纖維的製作成本遠高於碳纖維,因此在高分子複材方面,幾乎為碳纖維所取代。
纖維其含碳量在99%以上者稱為石墨纖維,若在93%-95%之間,則稱為碳纖維。一般是在高溫下,以熱分解的方式將預形體(precursor)碳化成碳纖維。預形體的材質有嫘縈(rayon)、聚丙烯睛(PAN)纖維、及瀝青(pitch),而PAN系列碳纖維為目前商業化的主流。
嫘縈(rayon)
最早用來製作碳纖維的原料。 聚丙烯睛(PAN)纖維
成本比嫘縈絲低,製作的碳纖維在抗拉強度可達 2.4GPa~3.1 GPa,彈性率 0.2~0.5 GPa。 瀝青(pitch)
若將等向性分子瀝青直接做成碳纖維,因分子不具方向性,所以機械性質低,用途有限。如果在 400℃~450℃ 的惰性氣體中長期處理,可將瀝青轉換成液晶瀝青(liquid crystal)的形態,因具有優勢的分子順向排列,可製成高性能的碳纖維。
Kevlar纖維
Kevlar為商業化的芳香聚醯銨纖維,為人造的有機纖維。具低密度、高強度、及低成本。一般而言與高分子基材的相容性不佳,因此製成的複合材料抗壓強度較低。常用的有 Kevlar 29 及 Kevlar 49。
硼纖維
幾乎所有的硼纖維都用來製作硼/環氧樹脂複合材料,硼纖維是用化學氣相沉積法將硼沉積於鎢絲上,鎢絲表面和硼反應後其直徑約17.5 mm,而硼纖維的直徑約 100 mm,如下圖所示。因為硼纖維的製作成本遠高於碳纖維,因此在高分子複材方面,幾乎為碳纖維所取代。