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研究生：	朱傳裕 Chu, Chuan-yu
論文名稱：	石墨化順序對碳/碳複合材料機械及磨潤性質之影響 Effect of graphitization sequence on mechanical and tribological properties of carbon/carbon composites
指導教授：	李國榮 Lee, Kuo-jung 朱建平 Ju, Chien-ping 陳瑾惠 Chern Lin, Jiin-Huey
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學及工程學系 Department of Materials Science and Engineering
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	115
中文關鍵詞：	緻密化、石墨化、碳/碳複合材料、磨潤性質、機械性質
外文關鍵詞：	Carbon/carbon composites, Graphitization, Mechanical properties, Tribological properties, Densification
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碳/碳複合材料(carbon/carbon composites, C/C composites)擁有許多優越的性質，如質輕、耐腐蝕、耐熱衝擊、低熱膨脹性、高溫下優越的機械性質和自身潤滑性等，因此成為飛機煞車材料的首選。
本研究以快速碳化新製程製備PAN/Resin碳/碳複合材料，並探討石墨化處理順序以及緻密化次數之改變對碳/碳複合材料機械與磨潤等性質之影響。實驗結果顯示，石墨化之後會對各項基本性質有較大的改變，如較大的重量損失、較高的孔隙率增加量。P系列在磨潤與機械性質上較Q系列試片來的優異。隨緻密化次數增加，試片會擁有較高之密度與強度。第F次緻密化之後，密度的增加速率逐漸減少，此乃由於表面空孔堵塞的結果，然N次緻密化之試片在密度及機械性質上仍優於M次緻密化之試片。
綜合磨潤性質與機械性質考量比較發現，B此組試片表現最優異。

Carbon/carbon composites showed many superior properties, such as low density, chemical resistance, good thermal-shock resistance, low thermal expansion coefficient, high mechanical property at high-temperature and self-lubricity, so C/C composites were used as aircraft brake material.
In order to explore the applicable and economical treatment to fabricate the brake pad, this studies focuses on the effects of graphitization and densification on mechanical and tribological properties of Carbon/Carbon composites by changing the sequence and times of graphitization and densification. According to the experimental results, among PAN/resin C/C composites, P series show better mechanical and tribological properties than Q series.
As times of densification increases, the strength and density both increase. After the Fth densification, the increasing rate of strength and density decreases. This result is induced by the obstruction in the cores of the surface. Compare the mechanical and tribological properties, N times of densification is enough to meet the request of application to aircraft brake material ( with wear coefficient 0.338).

總目錄
中文摘要	I
Abstract	II
誌 謝	III
總目錄	IV
表目錄	IX
圖目錄	X
第一章 前言	1
第二章 文獻回顧	3
2.1 碳/碳複合材料的簡介	3
2.1.1 碳/碳複合材料之發展	3
2.1.2 碳/碳複合材料之基本性質與應用	3
2.1.3 碳/碳複合材料之氧化	4
2.2 碳/碳複合材料中強化材與基材之簡介	5
2.2.1碳纖維介紹	5
2.2.2 基材種類及作用	8
2.2.3 碳纖維與基材間交互作用	9
2.3 碳/碳複合材料製程	10
2.3.1 穩定化(stabilization)	10
2.3.2 碳化(carbonization)	11
2.3.3 石墨化(graphitization)	13
2.3.4 緻密化(densification)	15
2.4 材料磨潤研究	17
2.4.1 磨潤簡介	17
2.4.2 石墨的磨潤行為	17
2.4.3 碳/碳複合材料磨潤研究	18
2.4.3.1 磨耗面形態之觀察及影響	18
2.4.3.2 製程參數之影響	19
2.4.3.3 磨耗試驗參數之影響	21
2.6.2.3 環境因素之影響	22
第三章 實驗方法	32
3.1 實驗材料	32
3.1.1 基材(matrix)	32
3.1.2 強化材(reinforcement)	32
3.1.3 含浸材(impregnant)	32
3.2 實驗製程	32
3.2.1 材料準備	33
3.2.2 真空熱壓成型	33
3.2.3 試片加工	34
3.2.4 穩定化	34
3.2.5 快速碳化	35
3.2.5 石墨化	36
3.2.6 真空緻密化含浸	37
3.3 性質量測及分析	38
3.3.1 厚度變化量測	38
3.3.2 重量量測	38
3.3.3 密度及孔隙率量測	38
3.3.4 三點抗彎試驗	39
3.3.5 磨耗性質試驗	40
3.3.6 掃描式電子顯微鏡觀察	42
3.3.7 光學相機觀察	42
第四章 結果與討論	56
4.1 石墨化處理順序對體密度、孔隙率、重量的影響	56
4.1.1 石墨化處理發生在碳化之後	56
4.1.2 石墨化處理發生在緻密化之後	58
4.1.3 綜合製程比較	59
4.1.3.1 密度及孔隙率之變化量	59
4.1.3.2 重量變化量	60
4.1.3.3 緻密化後含浸效率之比較	60
4.1.3.4 SEM微觀組織觀察	61
4.2 中間石墨化處理對機械性質的影響	61
4.2.1石墨化處理發生在碳化之後	63
4.2.2 石墨化處理發生在緻密化之後	63
4.2.3 綜合製程比較	64
4.2.3.1 撓曲強度之變化量	64
4.2.3.2 撓曲模數之變化量	65
4.3 中間石墨化處理次序對磨潤性質的影響	67
4.3.1 A之磨耗測試	67
4.3.1 B之磨耗測試	68
4.3.3  C之磨耗測試	68
4.3.4 D之磨耗測試	69
4.3.5 磨擦係數曲線圖綜合比較	70
4.3.6 磨潤性質綜合比較	70
4.3.6.1 磨合期	72
4.3.6.2 過渡期	72
4.3.6.3 穩定期	73
4.3.7 磨耗面之SEM觀察	74
4.3.7.1 磨耗前顯微組織觀察	74
4.3.7.2 磨耗後顯微組織觀察	75
4.3.8綜合基本性質、機械性質及磨潤性質之比較	76
第五章 結論	112
第六章 參考文獻	113
 
表目錄
表2-1 碳/碳複合材料與鋼鐵及銅之物理及機械性質比較	24
表2-2 各式運輸系統中每片煞車片所吸收之能量	24
表2-3 碳/碳煞車材料與傳統鋼鐵-陶瓷金屬系統之壽命比較	25
表2-4 各種熱固性樹脂前驅物碳產率比較	25
表2-5 酚醛樹脂各階段之性質及定義	26

表3-1 酚醛樹脂規格	43
表3-2 PAN系碳纖維規格	43
表3-3 液態酚醛樹脂規格	43
表3-4 實驗製程代號表	44
表3-5 試片成份比例	44
表3-6 熱壓條件	45
表3-7 試片代號及製程條件	45

表4-1 各種試片製程與商用試片P/R/C各項性質總比較	78

圖目錄
圖2-1 碳/碳複材應用範圍比例	27
圖2-2 各種材料在不同溫度下強度之比較	27
圖2-3 碳/碳的抗氧化系統設計	28
圖2-4 典型碳/碳複合材料製程	28
圖2-5 熱處理過程中非石墨化碳轉變為石墨化碳之結構變化示意圖	29
圖2-6 碳結構的FRANKLIN模式	29
圖2-7 碳/碳複合材料隨著含浸次數增加之密度變化量	30
圖2-8 碳/碳複合材料隨著含浸次數增加之密度變化量	30
圖2-9 2D碳/碳複材的煞車力矩V.S煞車時間曲線圖	31

圖3-1 實驗流程圖	46
圖3-2 熱壓成型堆疊示意圖	47
圖3-3 油壓機外觀	47
圖3-4 （A）熱壓模具示意（B）圖熱壓模具側視圖	48
圖3-5 磨耗試片尺寸規格	49
圖3-6 三點式抗彎強度試片尺寸規格	49
圖3-7 碳化設備圖	50
圖3-8 快速碳化設備示意圖	50
圖3-9 石墨化設備圖	51
圖3-10 含浸設備示意圖	52
圖3-11 厚度檢測相對位置如圖中標記處	52
圖3-12 三點抗彎試驗示意圖	53
圖3-13 (A)磨耗試驗機 (B)磨耗試驗機示意圖	55

圖4-1 P系列試片各處理階段之體密度	79
圖4-2 P系列試片各處理階段之孔隙率	79
圖4-3 P系列試片各處理階段之重量	80
圖4-4 Q系列試片各處理階段之體密度	80
圖4-5 Q系列試片各處理階段之孔隙率	81
圖4-6 Q系列試片各處理階段之重量	81
圖4-7 P系列與Q系列試片於不同製程階段下之體密度	82
圖4-8 P系列試片緻密化效率	83
圖4-9 Q系列試片緻密化效率	83
圖4-10 各試片橫截面	84
圖4-11 P系列試片各處理階段之撓曲強度	85
圖4-12 P系列試片各處理階段之撓曲模數	85
圖4-13 Q系列試片各處理階段之撓曲強度	86
圖4-14 Q系列試片各處理階段之撓曲模數	86
圖4-15 在碳化處理後經M次及N次緻密化處理試片之撓曲強度變化量	87
圖4-16 在碳化處理後經M次及N次緻密化處理試片之模數變化量	87
圖4-17 A試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖	88
圖4-18 A試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖	88
圖4-19 A試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖	89
圖4-20 B試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖	90
圖4-21 B試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖	90
圖4-22 B試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖	91
圖4-23 C試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖	92
圖4-24 C試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖	92
圖4-25 C試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖	93
圖4-26 D試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖	94
圖4-27 D試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖	94
圖4-28 D試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖	95
圖4-29 A試片較具代表性之磨擦係數曲線圖	96
圖4-30 B試片較具代表性之磨擦係數曲線圖	96
圖4-31 C試片較具代表性之磨擦係數曲線圖	97
圖4-32 D試片較具代表性之磨擦係數曲線圖	97
圖4-33 各種製程試片第1~5次進行模擬煞車試驗之平均磨擦係數	98
圖4-34 各種製程試片第1~5次進行模擬煞車試驗之平均煞停時間	98
圖4-35 各種製程試片第1~5次進行模擬煞車試驗之平均磨耗損失	99
圖4-36 各種製程試片第6~10次進行模擬煞車試驗之平均磨擦係數	99
圖4-37 各種製程試片第6~10次進行模擬煞車試驗之平均煞停時間	100
圖4-38 各種製程試片第6~10次進行模擬	100
圖4-39 各種製程試片第11~40次進行模擬煞車試驗之平均磨擦係數	101
圖4-40 各種製程試片第11~40次進行模擬煞車試驗之平均煞停時間	101
圖4-41 各種製程試片第11~40次進行模擬煞車試驗之平均磨耗損失	102
圖4-42 各種製程試片之總平均磨擦係數	102
圖4-43各種製程試片之總平均煞停時間	103
圖4-44 各種製程試片之總平均磨耗損失	103
圖4-45 A試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察	104
圖4-46 B試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察	105
圖4-47 C試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察	106
圖4-48 D試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察	107
圖4-49 A試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察	108
圖4-50 B試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察	109
圖4-51 C試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察	110
圖4-52 D試片進行模擬煞車試驗之顯微組織觀察	111
                                    

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校內：2108-07-30公開
校外：2108-07-30公開電子論文尚未授權公開，紙本請查館藏目錄

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