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纖維複合材料

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  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

  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

  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

    用的玻璃纖維一般可分為E-glass、S-glass、C-glass三種:

E-glass: 為鈣-硼矽玻璃纖維,用於一般之補強塑膠,電氣性質甚為優良。
S-glass: 具高強度及高彈性係數,用於太空方面,與E-glass比較,比重小約2%,抗拉力約大35%,而彈性係數約大20%。
C-glass: 為鈉-鈉-硼矽玻璃纖維,耐化學品侵蝕的性質優良,適合於耐腐蝕性之纖維複合材料製品。

 

碳纖維

  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

  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。

 

碳化矽纖維

  化矽纖維亦是由化學氣相沉積法製成,其直徑約140mm。因為碳化矽纖維能承受較高的溫度,在 1000 ℃ 左右還能保持約50%的強度,所以大部份都使用在金屬基的鋁或鈦合金複合材料上。

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