總目錄 中文摘要 ……………………………………………………………… Ⅰ Abstract ……………………………………………………………… Ⅲ 誌謝 ……………………………………………………………… Ⅳ 總目錄 ……………………………………………………………… V 表目錄 ……………………………………………………………… X 圖目錄 ……………………………………………………………… XI 第一章 前言………………………………………………………… 1 第二章 文獻回顧…………………………………………………… 3 2.1 碳及其同素異形體(allotropic) …………………………… 3 2.2 碳/碳複合材料之性質 …………………………………… 5 2.3 碳纖維介紹………………………………………………… 6 2.4 碳基材前驅體及酚醛樹脂………………………………… 8 2.5 製程介紹…………………………………………………… 9 2.5.1 穩定化……………………………………………………… 9 2.5.2 碳化………………………………………………………… 10 2.5.3 緻密化……………………………………………………… 12 2.5.4 石墨化……………………………………………………… 13 2.6 磨潤研究…………………………………………………… 13 2.6.1 磨潤簡介…………………………………………………… 13 2.6.2 影響碳/碳複合材料磨潤行為之因素…………………… 15 2.6.2.1 熱處理製程參數之影響…………………………………… 15 2.6.2.2 磨耗試驗參數之影響……………………………………… 17 2.6.2.3 環境因素之影響…………………………………………… 19 2.6.2.4 纖維排列或編織方式之影響……………………………… 19 2.6.2.5 磨耗面型態之影響………………………………………… 20 2.6.2.6 磨屑分析相關文獻………………………………………… 22 第三章 實驗方法…………………………………………………… 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 熱壓成型…………………………………………………… 33 3.2.3 穩定化……………………………………………………… 34 3.2.4 碳化………………………………………………………… 34 3.2.4.1 慢速碳化…………………………………………………… 34 3.2.4.2 快速碳化…………………………………………………… 35 3.2.5 石墨化……………………………………………………… 35 3.2.6 真空重覆含浸……………………………………………… 35 3.3 性質量測及分析…………………………………………… 36 3.3.1 厚度變化量測……………………………………………… 36 3.3.2 重量量測…………………………………………………… 37 3.3.3 密度及孔隙率量測………………………………………… 37 3.3.4 三點抗彎試驗……………………………………………… 38 3.3.5 磨耗試驗…………………………………………………… 39 3.3.6 光學相機觀察 ……………………………………………… 40 3.3.7 掃描式電子顯微鏡觀察 …………………………………… 40 第四章 結果與討論 ………………………………………………… 55 4.1 石墨化處理對體密度孔隙率重量與厚度的影響 ………… 55 4.1.1 未進行石墨化處理…………………………………………55 4.1.2 進行二次石墨化處理………………………………………57 4.1.3 第一次石墨化處理之影響…………………………………59 4.1.4 四次緻密化處理之影響……………………………………61 4.1.5 第二次石墨化處理之影響…………………………………62 4.1.6 慢速碳化處理之影響………………………………………64 4.1.7 第二次石墨化處理溫度不同之影響………………………64 4.1.8 綜合比較……………………………………………………66 4.2 石墨化處理對機械性質之影響…………………………68 4.2.1 未進行石墨化處理之試片…………………………………69 4.2.2 進行石墨化處理之試片……………………………………70 4.2.3 CG2系列試片經第二次石墨化處理之試片………………72 4.2.4 綜合比較……………………………………………………73 4.3 石墨化處理對磨潤性質之影響……………………………74 4.3.1 中科院(PAN/pitch)試片與商用(pitch/resin/CVI)的磨潤性質與磨耗面之光學照片…………………………………………74 4.3.2 各種試片的磨潤性質與磨耗面之光學照片………………76 4.3.3 磨潤性質綜合比較…………………………………………82 4.3.3.1 磨合期………………………………………………………83 4.3.3.2 經磨合期後…………………………………………………84 4.3.4 SEM……………………………………………………………86 4.3.4.1 未進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察……………………86 4.3.4.2 進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察………………………87 第五章 結論 …………………………………………………………193 第六章 參考文獻………………………………………………………196 附錄 附錄一…………………………………………………………199 表目錄 表3-1 酚醛樹脂規格…………………………………………………41 表3-2 PAN系碳纖維規格……………………………………………41 表3-3 液態酚醛樹脂規格……………………………………………41 表3-4 成份比例………………………………………………………42 表3-5 熱壓條件………………………………………………………42 表3-6 試片代號及製程條件…………………………………………43 圖目錄 圖2-1 碳的同素異形體………………………………………………23 圖2-2 碳的相圖………………………………………………………23 圖2-3 PAN結構示意圖 ……………………………………………24 圖2-4 磨擦係數與轉速之關係………………………………………24 圖2-5 磨擦係數曲線圖，當轉速達1400rpm開始發生transition…25 圖2-6 磨擦係數曲線被兩個峰值分成三個區間……………………25 圖2-7 磨耗量與磨耗面上溫度之關係………………………………26 圖2-8 磨擦係數與PV值之關係……………………………………26 圖2-9 在一般空氣環境中，其磨擦係數曲線有明顯的峰值出現 …27 圖2-10 在乾燥的氮氣環境下，有較高的平均磨擦係數……………28 圖2-11 磨耗量與硬度(和韌性)之關係………………………………29 圖2-12 PIC製程相較於VIC製程，有較低且穩定的扭力線………29 圖2-13 磨擦係數對纖維布在表面分布多寡不敏感…………………30 圖2-14 (a)磨屑呈現amorphous(b)磨屑在特定區域或呈現出石墨化31 圖3-1 實驗流程圖……………………………………………………44 圖3-2 熱壓成型堆疊示意圖…………………………………………45 圖3-3 油壓機外觀……………………………………………………45 圖3-4 (a)熱壓模具示意圖(b)模具壁(c)熱壓模具側視圖 …………46 圖3-5 磨耗試片尺寸規格……………………………………………47 圖3-6 三點式抗彎強度試片尺寸規格………………………………47 圖3-7 碳化設備………………………………………………………48 圖3-8 快速碳化設備示意圖…………………………………………48 圖3-9 含浸設備示意圖………………………………………………49 圖3-10 厚度檢測相對位置如圖中標記處……………………………50 圖3-11 三點抗灣試驗示意圖…………………………………………51 圖3-12 (a)磨耗試驗機 (b)工作區 (c)示意圖 ………………………54 圖4-1 未石墨化試片(non-G)各處理階段之體密度變化 …………88 圖4-2 未石墨化試片(non-G)各處理階段之孔隙率變化 …………88 圖4-3 未石墨化試片(non-G)各處理階段之乾重變化 ……………89 圖4-4 未石墨化試片(non-G)各處理階段之厚度變化 ……………89 圖4-5 G1*2-23試片各處理階段之體密度變化 ……………………90 圖4-6 G1*2-23試片各處理階段之孔隙率變化 ……………………90 圖4-7 G1*2-23試片各處理階段之乾重變化 ………………………91 圖4-8 G1*2-23試片各處理階段之厚度變化 ………………………91 圖4-9 由快速碳化階段至不同溫度(2100℃及2300℃)之第一次石墨化階段試片之體密度變化…………………………………92 圖4-10 由快速碳化階段至不同溫度(2100℃及2300℃)之第一次石墨化階段試片之孔隙率變化…………………………………93 圖4-11 由快速碳化階段至不同溫度(2100℃及2300℃)之第一次石墨化階段試片之重量變化……………………………………94 圖4-12 由快速碳化階段至不同溫度(2100℃及2300℃)之第一次石墨化階段試片之厚度變化……………………………………95 圖4-13 僅完成G1階段之G1-21及G1*2-23試片經四次緻密化處理後之體密度變化………………………………………………96 圖4-14 僅完成G1階段之G1-21及G1*2-23試片經四次緻密化處理後之孔隙率變化………………………………………………97 圖4-15 僅完成G1階段之G1-21及G1*2-23試片經四次緻密化處理後之重量變化…………………………………………………98 圖4-16 僅完成G1階段之G1-21及G1*2-23試片經四次緻密化處理後之厚度變化…………………………………………………99 圖4-17 由四次緻密化階段到G2階段G2-21 、G2-23及G1*2-23試片之體密度變化………………………………………………100 圖4-18 由四次緻密化階段到G2階段G2-21 、G2-23及G1*2-23試片之孔隙率變化………………………………………………101 圖4-19 由四次緻密化階段到G2階段G2-21 、G2-23及G1*2-23試片之重量變化 ………………………………………………102 圖4-20 由四次緻密化階段到G2階段G2-21 、G2-23及G1*2-23試片之厚度變化 ………………………………………………103 圖4-21 四次緻密化處理後試片經慢速碳化處理後各項性質之影響 ……………………………………………………………104 圖4-22 完成慢速碳化處理之CG2系列試片經G2處理後體密度變化 ……………………………………………………………105 圖4-23 完成慢速碳化處理之CG2系列試片經G2處理後孔隙率變化 ……………………………………………………………106 圖4-24 完成慢速碳化處理之CG2系列試片經G2處理後重量變化107 圖4-25 完成慢速碳化處理之CG2系列試片經G2處理後厚度變化108 圖4-26 各種製程試片之體密度 ……………………………………109 圖4-27 各種製程試片之孔隙率 ……………………………………109 圖4-28 各種製程試片之重量 ………………………………………110 圖4-29 各種製程試片之厚度 ………………………………………110 圖4-30 未石墨化試片(non-G)各處理階段之撓曲強度 ……………111 圖4-31 未石墨化試片(non-G)各處理階段之撓曲模數 ……………111 圖4-32 G1-21試片各處理階段之撓曲強度…………………………112 圖4-33 G1-21試片各處理階段之撓曲模數…………………………112 圖4-34 G1*2-23試片各處理階段之撓曲強度 ………………………113 圖4-35 G1*2-23試片各處理階段之撓曲模數 ………………………113 圖4-36 G2-21試片各處理階段之撓曲強度…………………………114 圖4-37 G2-21試片各處理階段之撓曲模數…………………………114 圖4-38 G2-23試片各處理階段之撓曲強度…………………………115 圖4-39 G2-23試片各處理階段之撓曲模數…………………………115 圖4-40 CG2系列試片各處理階段之撓曲強度………………………116 圖4-41 CG2系列試片各處理階段之撓曲模數………………………116 圖4-42 各種製程試片之撓曲強度 …………………………………117 圖4-43 各種製程試片之撓曲模數 …………………………………117 圖4-44 PAN/pitch試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖118 圖4-45 PAN/pitch試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖118 圖4-46 PAN/pitch試片的磨耗損失與模擬煞車試驗之關係圖 ……119 圖4-47 PAN/pitch試片進行模擬煞車(1~20次)的磨耗面圖 ………122 圖4-48 Pitch/resin/CVI試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖 …………………………………………………………123 圖4-49 Pitch/resin/CVI試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖 …………………………………………………………123 圖4-50 Pitch/resin/CVI試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖 …………………………………………………………124 圖4-51 pitch/resin/CVI試片進行模擬煞車(1~20次)的磨耗面圖 …127 圖4-52 G1-21試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖……128 圖4-53 G1-21試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖……128 圖4-54 G1-21試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖……129 圖4-55 G1-21試片進行模擬煞車(1~20次)的磨耗面圖……………132 圖4-56 G1*2-23試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖 …133 圖4-57 G1*2-23試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖 …133 圖4-58 G1*2-23試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖 …134 圖4-59 G1*2-23試片進行模擬煞車(1~40次)的磨耗面圖……………138 圖4-60 G2-21試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖……139 圖4-61 G2-21試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖……139 圖4-62 G2-21試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖……140 圖4-63 G2-21試片進行模擬煞車(1~40次)的磨耗面圖……………144 圖4-64 G2-23試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖……145 圖4-65 G2-23試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖……145 圖4-66 G2-23試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖……146 圖4-67 G2-23試片進行模擬煞車(1~25次)的磨耗面圖……………149 圖4-68 CG2-17試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖 …150 圖4-69 CG2-17試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖 …150 圖4-70 CG2-17試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖 …151 圖4-71 CG2-17試片進行模擬煞車(1~20次)的磨耗面圖 …………154 圖4-72 CG2-19試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖 …155 圖4-73 CG2-19試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖 …155 圖4-74 CG2-19試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖 …156 圖4-75 CG2-19試片進行模擬煞車(1~30次)的磨耗面圖 …………160 圖4-76 CG2-21試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖 …161 圖4-77 CG2-21試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖 …161 圖4-78 CG2-21試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖 …162 圖4-79 CG2-21試片進行模擬煞車(1~30次)的磨耗面圖 …………166 圖4-80 CG2-23試片的磨擦係數與模擬煞車試驗次數之關係圖 …167 圖4-81 CG2-23試片的煞停時間與模擬煞車試驗次數之關係圖 …167 圖4-82 CG2-23試片的磨耗損失與模擬煞車試驗次數之關係圖 …168 圖4-83 CG2-23試片進行模擬煞車(1~30次)的磨耗面圖 …………172 圖4-84 各種製程試片的總平均磨擦係數 …………………………173 圖4-85 各種製程試片的總平均煞停時間 …………………………173 圖4-86 各種製程試片的總平均磨耗損失 …………………………174 圖4-87 各種製程試片1~5次模擬煞車試驗之平均磨擦係數………174 圖4-88 各種製程試片1~5次模擬煞車試驗之平均煞停時間………175 圖4-89 各種製程試片1~5次模擬煞車試驗之平均磨耗損失………175 圖4-90 各種製程試片6~10次模擬煞車試驗之平均磨擦係數 ……176 圖4-91 各種製程試片6~10次模擬煞車試驗之平均煞停時間 ……176 圖4-92 各種製程試片6~10次模擬煞車試驗之平均磨耗損失 ……177 圖4-93 各種製程試片11~最後1次模擬煞車試驗之平均磨擦係數177 圖4-94 各種製程試片11~最後1次模擬煞車試驗之平均煞停時間178 圖4-95 各種製程試片11~最後1次模擬煞車試驗之平均磨耗損失178 圖4-96 PAN/pitch試片較具代表性的磨擦係數曲線圖 ……………179 圖4-97 pitch/resin/CVI試片較具代表性的磨擦係數曲線圖 ………179 圖4-98 G1-21試片較具代表性的磨擦係數曲線圖…………………180 圖4-99 G1*2-23試片較具代表性的磨擦係數曲線圖 ………………180 圖4-100 G2-21試片較具代表性的磨擦係數曲線圖…………………181 圖4-101 G2-23試片較具代表性的磨擦係數曲線圖…………………181 圖4-102 CG2-17試片較具代表性的磨擦係數曲線圖 ………………182 圖4-103 CG2-19試片較具代表性的磨擦係數曲線圖 ………………182 圖4-104 CG2-21試片較具代表性的磨擦係數曲線圖 ………………183 圖4-105 CG2-23試片較具代表性的磨擦係數曲線圖 ………………183 圖4-106 各種製程試片達穩定後之平均磨擦係數 …………………184 圖4-107 各種製程試片達穩定後之平均煞停時間 …………………184 圖4-108 non-G試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察…………185 圖4-109 G1-21試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察…………185 圖4-110 G1*2-23試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察 ………185 圖4-111 G2-21試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察…………186 圖4-112 G2-23試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察…………186 圖4-113 CG2-17試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察 ………186 圖4-114 CG2-19試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察 ………187 圖4-115 CG2-21試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察 ………187 圖4-116 CG2-23試片進行模擬煞車試驗前之顯微組織觀察 ………187 圖4-117 PAN/pith試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察………188 圖4-118 pith/resin/CVI試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察188 圖4-119 G1-21試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察…………189 圖4-120 G1*2-23試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察 ………189 圖4-121 G2-21試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察…………190 圖4-122 G2-23試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察…………190 圖4-123 CG2-17試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察 ………191 圖4-124 CG2-19試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察 ………191 圖4-125 CG2-21試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察 ………192 圖4-126 CG2-23試片進行模擬煞車試驗後之顯微組織觀察 ………192