授課題目:有機無機混成材料慨述
業界講師:楊偉達博士
任職單位:工研院材化所
材料與化工研究所
電子材料及元件研究組
高寬頻先進構裝材料研究室 主任
上課時間:100.9.22(9:20-12:10)
生活上有很多常見的複合材料,而複合材料是由兩種或兩種以上的物理和化學性質不同材料組成的新型材料,複合材料的特性具有高強度、質量輕、耐高溫、耐腐蝕等等的優異性能,複合材料是由基材和補強材所組成的。
補強材料有很多種,分為玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、氧化鋁和氧化鋁基纖維、碳化矽和碳化矽基纖維、晶鬚、高性能有機纖維、各類無機粉體,常用的補強纖維:
補強材料有很多種,分為玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、氧化鋁和氧化鋁基纖維、碳化矽和碳化矽基纖維、晶鬚、高性能有機纖維、各類無機粉體,常用的補強纖維:
例如碳纖維製備流程有分為碳化過程和石墨化過程:
碳化過程:有機化合物在惰性氣氛中加熱到1000-1500°C時,非碳原子(氮、氫、氧等)將逐步被去除,碳含量逐步增加,固相間發生一系列脫氫、環化、交鏈和縮聚等化學反應,此階段稱為碳化過程,形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。
石墨化過程:當溫度升到2000~3000°C時,非碳原子進一步排除,反應形成的芳香環平面逐步增加,排列也較規則,取向度顯著提高,由二維亂層石墨結構向三維有序結構轉化,此階段稱為石墨化過程。形成的石墨纖維彈性模量大大提高。
各種補強纖維的強度:
各種補強纖維的強度:
補強材的功能:限制微裂紋延伸、提高材料強度與剛性、改善材料抗疲勞、抗蠕變特性、提高材料使用壽命及可靠性、提供特殊性質。
常見的顆粒補強材:
常見的顆粒補強材:
複合材料分為1.顆粒狀分散相複合材料─分散強化複合材料、顆粒增強複合材料、片晶增強複合材料,2.纖維狀分散相複合材料─(1)連續性纖維強化複合材料(單向纖維強化複合材料、非編織纖維層、2維, 3維編織纖維層 )、(2)不連續纖維強化複合材料(短纖維、晶鬚─隨機排列、定向排列)。
基材有分熱固性樹酯基材、熱塑性樹酯基材、金屬基材,基材主要功能是,固定補強材的位置、承受應力並將其傳遞至補強材,由補強材承受負荷、決定材料熱、電及化學性質、調整材料加工性質。
基材一定是有機嗎? 補強材一定是無機嗎?不一定是,但通常基材一定是有機,補強材一定是無機。通常有機和無機是有一定的距離存在,在有機和無機中間的相稱為界面(中間相),中間相是不相容的,就是基強、補強材、增強相外的第三相,包括纖維─基材、補強的粉體─一般的高分子,中間是不相容的。界面對複合材料性能影響:介面傳遞應力、對複合材料強度和韌性影響巨大、界面對複合材料在潮濕和腐蝕環境中的反應往往具有決定性作用,改善界面的方式,改變補強材表面特性,在基材內添加特定元素,在補強才表面施加特定塗層,改善界面的方式,可添加偶和劑,用意在於一端可和無機基材反應,另一端可和有機分子反應,這兩者之間可透過縮合反應來連接在一起。
基材有分熱固性樹酯基材、熱塑性樹酯基材、金屬基材,基材主要功能是,固定補強材的位置、承受應力並將其傳遞至補強材,由補強材承受負荷、決定材料熱、電及化學性質、調整材料加工性質。
基材一定是有機嗎? 補強材一定是無機嗎?不一定是,但通常基材一定是有機,補強材一定是無機。通常有機和無機是有一定的距離存在,在有機和無機中間的相稱為界面(中間相),中間相是不相容的,就是基強、補強材、增強相外的第三相,包括纖維─基材、補強的粉體─一般的高分子,中間是不相容的。界面對複合材料性能影響:介面傳遞應力、對複合材料強度和韌性影響巨大、界面對複合材料在潮濕和腐蝕環境中的反應往往具有決定性作用,改善界面的方式,改變補強材表面特性,在基材內添加特定元素,在補強才表面施加特定塗層,改善界面的方式,可添加偶和劑,用意在於一端可和無機基材反應,另一端可和有機分子反應,這兩者之間可透過縮合反應來連接在一起。
何謂奈米複合材料?補強材(分散相)在三維中只要有一個維以上達奈米尺度即可稱之。
複合材料的加工:
複合材料的加工:
複合材料優點:結構與功能的可設計性、複合體系具有兩種或兩種以上的優越性能,稱為組合複合效應、施工方便、比重小、強度佳、其他(光學、化學等特性),6千年前人類就以經會用稻草加黏土做為建築複合材料。所以早在6千年前就有複合材料的技術,6前年後人類還是在用複合材料的技術,但在這一百年之間人類使用複合材料的技術大幅進步,這就表示我們要多收集新知,因為科學會不斷不斷的進步。