5醛树脂制炭炭复合材料及其物性之研究

5醛树脂制炭炭复合材料及其物性之研究收稿日期：!""!!"#!"!；修回日期：!""!!"$!"% 基金项目：国科会"#$&’!!!($!%"%)!"!) 通讯作者：柯泽豪，%!&’()：*+,-!./012301*4 作者简介：柯泽豪（(’)$!），男，台湾南投人，教授，主要从事炭／炭复合材料、炭纤维及活性炭纤维研究工作。文章编号：(""*!&&!*（!""!）"%!"""(!") 气相生长炭纤维增强酚醛树脂制炭／炭复合材料及其物性之研究柯泽豪，黄和胜，林彦谷，熊昌铂，张永昌（逢甲大学材料科学系，台湾台中）摘要：...

收稿日期：!""!!"#!"!；修回日期：!""!!"$!"% 基金项目：国科会"#$&’!!!($!%"%)!"!) 通讯作者：柯泽豪，%!&’()：*+,-!./012301*4 作者简介：柯泽豪（(’)$!），男，台湾南投人，教授，主要从事炭／炭复合材料、炭纤维及活性炭纤维研究工作。文章编号：(""*!&&!*（!""!）"%!"""(!") 气相生长炭纤维增强酚醛树脂制炭／炭复合材料及其物性之研究柯泽豪，黄和胜，林彦谷，熊昌铂，张永昌（逢甲大学材料科学系，台湾台中）摘要：以气相生长炭纤维含浸酚醛树脂后经炭化及石墨化处理，制成炭／炭复合材料。观察了不同纤维百分含量的复合材料在升温过程的微细结构及物性之变化，探讨了其强度及电性的变化，并以扫瞄式电子显微镜（#%5）观察破断表面，观察各种复合材料经不同温度处理后之破坏行为。研究结果显示，以气相生长炭纤维所制复材经温度处理后，可以改善其抗弯强度及导电性，最佳纤维含量质量分数为"1)6。超过此比率后，制成之复合材料无论是空孔率或强度皆呈下降。关键词：炭／炭复合材料；气相成长炭纤维；石墨化；电性分析中图分类号： 78%%! 文献标识码： 9 ( 前言近("年来由于太空工业及高速航行机或赛车在速度上的追求，使得机身或刹车器的部分面临到材料开发上的瓶颈。由于炭／炭复合材料在!""": 之高温环境下，仍然可以维持其机械性质不变，而且炭／炭复合材料具有低密度之优点，使其在制成零组件之重量上远比其他材料轻，诸如：航天飞机机身、火箭推进器、发射台、喷射引擎零件、高温活塞及航天材料趋向以炭材料为主结构［(!%］。也因为其具有质轻、高强度、高热传导性及低磨耗性，现在皆广泛地使用炭／炭复合材料做为飞机和跑车之刹车片，使用炭／炭复合材料当作刹车片后，使其高温的使用性和持久性增加许多，同时因为质轻，所以也减少许多重量。此外，由于气相生长炭纤维（;<$=）是以气相沉积方式生长［#，$］，本身具有高电、热传导值［)］，所以，以气相生长炭纤维所补强的炭／炭复合材料，其应用的触角已经延伸到电子业方面，在电子组件功率逐渐增高而且竞争激烈的情况下，不仅要有相当程度的散热功能，亦需要组件的轻薄短小，方能符合设计上的需求。因此本实验将针对炭／炭复合材的收缩率、重量损失及开放性空孔之变化做一探讨。且与电性分析、三点抗折测试及以#%5观察试片经破坏后之破坏面结构作一整合性的分析，以观察不同纤维含量对复材之影响。 ! 实验方法 !1" 实验原料所用补强材是美国9>>)(23#/(2?/2@公司所生产之型号为ABCD;分析以型号!?@4?A:B!=!#"3的扫瞄式电子显微镜来观察试片的破断面。 $8%8) 电性分析以CD数字式微电阻测量计量测复合材料的电阻值，两探针间距为!0)。 % 结果与讨论 "8# 不同纤维含量及温度变化对收缩率、重量损失及开放性空孔之影响由图!我们可以发现在低温部分（!!"""E）随着温度的增加，其收缩率的增幅随之增大且都在 !"""E达到一定值，而后随之下降，推测此种现象的原因可能为!"""E以后之复合材料内部空孔之气体因为温度的升高而导致膨化的现象产生，因此在!*""E后的收缩率都有下降的趋势。另外由于在低温部分，我们所使用的补强材+气相生长炭纤维其生长温度是!!#"E，所以在补强材部分几乎不发生反应，因此我们可发现随着9C4F的百分比增加整体复材的收缩率也下降。整体而言，由于本实验之复材未经任何重复含浸，故其最大收缩率控制在!*6。图! 以不同纤维含量所制成之复合材料在升温过程中的收缩率变化图 F158! !&%-&*1’G"5%+,0+).+-12%-H8-82%).%*"2(*%"2 /1,,%*%’20+’2%’2+,,1#%*- 图$为不同纤维含量所制之复材在热处理至 $#""E过程中的重量损失变化曲线图。由于炭材料在升温过程中会发生去氢及去氮反应，而这些反应大都在!"""E便反应结束，因此重量损失的幅度在!"""E后便趋于缓和，在$#""E时其最高重量损失为%&6左右。图$ 以不同纤维含量所制成之复合材料在升温过程中的重量损失变化图 F158$ !&%I%15&2$+--+,0+).+-12%-H8-82%).%*"2(*%"2 /1,,%*%’20+’2%’2+,,1#%*- 图%为不同纤维含量所制之复材在升温至 $#""E过程中的开放性空孔变化曲线图，由图中可以看出，随着热处理温度的增加会导致炭材料的去氢（’""E!)""E）及去氮反应（)""E! !"""E）［&，*］的发生，且会伴随着一些非碳物质的挥发，因此复合材料的开放性空孔率会逐渐增加，在 *""E达到一最大值约为*6，但由以往的文献中得知，由于反应的最后阶段应为!!""E左右，开放性 ·$· 新型炭材料第!&卷万方数据空孔率的最大值应是出现!"""!，由此我们推断在 !"""!之所以其开放性空孔率会降低并不是其总空孔降低，而是一部分的开放性空孔转为封闭性空孔所致。图# 以不同纤维含量所制成之复合材料在升温过程中的开放性空孔变化图 "#$%# &’()*(+*),()-.)/*)0#1(02%0%1(/*(,314,(31 5#--(,(+1.)+1(+1)--#6(,0 另外，在不同纤维含量对其开放性空孔影响的部分，我们可分成低温（!$""!）及高温（"$""!）进行讨论。低温时，由于纤维本身性质所致，所以反应并不剧烈，且几乎是树酯本身的反应，而导致差距并不明显。但随着温度的增加，可明显发现7#的空孔率已大幅增加，显示高纤维含量复合不完全的问题已经浮现［%，!"］。 !%" 不同纤维含量及温度变化对炭／炭复合材料机械强度及显微结构之影响图&及图’为不同纤维含量所制成之复材在不同温度处理后的抗弯强度及抗弯模数曲线图，图$ 则是以质量分数为"%’8 79:"补强所制成的炭／炭复合材料之应力(应变曲线图。由图中大致上可看出复材几乎都是呈现脆性破坏的模式。在抗弯强度方面，以)#"!的强度值为最大，随着温度的增加，由于空孔率及类碳结构开始形成导致强度值随之下降，且在$""!达到最低值，这方面的现象我们可以由图*的;<=图中得到证实，其后由于碳结构平面的形成及连结使得复材强度又增加，但在 !"""!以后，由于石墨化阶段使得纤维与基材的界面渐渐石墨化，造成其界面性质变弱，且由于石墨化的同时其内部的空孔也会随之变大，再者如之前在收缩率及开放性空孔所提及之气相生长炭纤维的反应机制的问题同样也会存在于此，因此复材在 !"""!以后其强度值呈现下降的趋势。同样，对于不同纤维含量的复材，由于有纤维的补强作用且纤图& 以不同纤维含量所制成之复合材料在升温过程中的抗弯强度值变化图 "#$%& &’(->(?4,3>01,(+$1’)-.)/*)0#1(02%0%1(/*(,314,( 315#--(,(+1.)+1(+1)--#6(,0 图’ 以不同纤维含量所制成之复合材料在升温过程中的抗拉模数值变化图 "#$%’ &’(->(?4,3>/)54>40)-.)/*)0#1(02%0%1(/*(,314,( 315#--(,(+1.)+1(+1)--#6(,0 图$ 以"%’!／879:"所补强的复材在不同的温度处理下之应力应变图 "#$%$ &’(0@0.4,2()-.)/*)0#1(0,(#+-),.(56A"%’!／8 79:"315#--(,(+11,(31/(+11(/*(,314,( 维本身的强度值极高，导致复材在破断时会有纤维 ·#·第#期柯泽豪等：气相生长炭纤维增强酚醛树脂制炭／炭复合材料及其物性之研究万方数据脱出的现象发生且其破断面呈现鳞片状与纯酚醛树酯的光滑平面有所差别（如图!所示），因此以质量分数为"!#"#$%&所补强的复材强度值最佳，而以质量分数为$!#"#$%&所补强的复材最差，应是含浸不完全导致空孔率大幅增加所致。图% 以$!#!／"#$%&补强所制成之复材经不同温度处理后的破断面’()图 &*+!% ,-.’()/*012+134-52602/425*7.51.*86210.9:;$!#!／"#$%&379*66.1.8771.37/.877./4.137<1. 图! 以"!#!／"#$%&补强所制成之复材与基体经&’"=处理后的破断面’()图 &*+!! ,-.’()/*012+134-526/371*>38902/425*7.51.*86210.9:;"!#!／"#$%&389-.37?71.37.937&’"= !!! 不同纤维含量及温度变化对炭／炭复合材料电性之影响由于本实验的补强材是气相生长炭纤维，其无论是电、热传导性皆相当接近完美石墨［$$］，因此本测试项目便是测量整体复材是否有因补强材的作用而使其电阻值下降的情况。图(是不同纤维含量所制成之复材经不同的温度处理后的电阻值变化曲线图，由图中我们可以看出在低温部分如&’"=的试片，原本复合材料的电阻值非常大而无法测量，但经加入质量分数为$!#"的气相生长炭纤维后便可测得其电阻值，而随着温度的增加各曲线的电阻值同样也随之下降，而在$"""=时的导电性与&’"=相比时，明显改善了$")倍，而后曲线的下降幅度便无图( 以不同纤维含量所制成之复合材料在升温过程中的电阻值变化图 &*+!( ,-.1.5*57380.2602/425*7.5@!5!7./4.137<1.37 9*66.1.870287.87266*:.15 ·)· 新型炭材料第$%卷万方数据如此明显了。但基本上还是维持温度增加和纤维含量增加，其电阻值下降的一个趋势。虽然之前所提及含浸及空孔的问题还会对其造成影响，但在电性方面似乎只是将其差距缩小而已，决定因素还是有否加入补强材。因此若考虑成本及效益的问题的话，基本上是以质量分数为!!""为较佳，在热处理至#"!!#时其电阻值分别为 $%!"!、!%&’!、!%&&!、!%&!。 ’ 结论（$）以气相生长炭纤维所制成之复材经温度处理后，其抗弯强度及电性皆有明显增加的趋势。（#）最佳的补强纤维质量分数为!!""，超过此比率后其制成之复材无论是空孔率或强度皆呈下降。（(）由于本实验之试片皆未经过任何重复含浸的处理手续，其电阻值最低已到达!!&!，因此该复合材料的应用，应该是相当有前瞻性。参考文献：［$］ $%&%’()!*%+,-./*%+,-.*-01-234(［5］!6-.7-.：*89:/ 59;<8966，$))(，((! ［#］立早!炭纤维增强复合材料［=］!新型炭材料，$)))，!"（’）： *)! （6>?%-!*%+,-.@3,(++(3.@-+A(7A-01-234(［=］!;(B*%+,-. 5%4(+3%C2（*D3.(2(），$)))，!"（’）：*)!）［(］李贺军!炭／炭复合材料［=］!新型炭材料，#!!$，!#（#）：*)/ &!! （6>8(/EF.!*%+,-.／A%+,-.A-01-234(2［=］!;(B*%+,-.5%/ 4(+3%C2（*D3.(2(），#!!$，!#（#）：*)/&!!）［’］ >2D3-G%5，HG%7%I，5%42F,%+%J!:+(/1%+%43-.-@&%1-+/ ’+-B.A%+,-.@3,(+2,K@C-%43.’A%4%CK240(4D-73.63.L/ M-.%B34LA-.&(+4(+’%2：3.@CF(.A(-@A%4%CK2423L(［=］!*%+/ ,-.，$))(，$!（"）：+))/*!(! ［"］ )-+7(K(&$9，5%A(7-N=，N(++(3+%=9，!"#$!I+%.21-+4 1+-1(+43(2-@1-CK0(+/&%1-F+’+-B.A%+,-.@3,(+A-01-234(2 ［=］!:DK23A%，#!!!，（#*)）：((/(+! ［+］李安邦!气相成长炭纤维［=］!新型炭材料，$)))，!"（(）：*)! （6>9./,%.’!O%1-+’+-B.A%+,-.@3,(+［=］!;(B*%+,-. 5%4(+3%C2（*D3.(2(），$)))，!"（(）：*)!）［*］ 5%.-AD%65，P%2F7%Q，I%.%,(P，!"#$!Q@@(A4-@A%+,-. @3,(+2F+@%A(4+(%40(.4-.0(AD%.3A%C1+-1(+43(2-@*／*A-0/ 1-234(2［=］!*%+,-.，$)&&，%#（(）：(((/((&! ［&］ 5AG((M R!HS37%43-.,(D%&3-+%.71+-4(A43-.-@A%+,-.／ A%+,-.A-01-234(2［=］!*%+,-.，$)&*，%&：""$! ［)］ :%44-.TM，:3440%.*U，=+R%.’6，!"#$!O%1-+’+-B. A%+,-.@3,(+A-01-234(2B34D(1-SK%.71-CK（1D(.KC(.(2FC/ @37(）0%4+3A(2［=］!*-0/:-234(2:%+49，$)))，$’：$!&$/ $!)$! ［$!］ *%+.(3+-H$，*-&%2=9，V(+.%+7-*9，!"#$!:+-7FA43-. %.7%22(220(.4-@1-CKA%+,-.%4(A-01-234(2+(3.@-+A(7B34D &%1-F+/’+-B.A%+,-.@3,(+2［=］!*-01-234(2$A3(.A(%.7 I(AD.-C-’K，$))&，&(：’!$/’!*! ［$$］ I3.’=5，6%G(56!O%1-+/’+-B.A%+,-./@3,(++(3.@-+A(7 A%+,-.A-01-234(2［=］!*%+,-.，$))"，$$（"）：++(/++*! )*+*,-./*01-23456-0／3456-03-/.-781*769 .:*0-,835*78040)+4.-5;<5-=03456-0286*5 JHI2(/D%-， 8U9;)8(+/2D(.’， 6>;P%../’F.， $8U;)*D%.’/,%-， ?89;)P-.’/AD%.’ （%!&#’"(!)"*+,#"!’-#$./-!)/!，0!)123-#4)-5!’6-"7，8#-/39)1，23-)#） 46715431： *%+,-.／A%+,-.A-01-234(2B(+(1+(1%+(7@+-0&%1-+/’+-B.A%+,-.@3,(+（O)*N）%.7 +(2-C/4K1(1D(.-C/@-+0%C7(DK7(+(23.!ID(A-01-234(2B(+(D(%4/4+(%4(7%4#(!#，’!!#，&!!#，+!! #，$!!!#，$&!!#%.7#"!!#!ID((@@(A4-@1K+-CK232-.4D(03A+-24+FA4F+(，@C(SF+%C24+(.’4D，%.7 (C(A4+3A%C1+-1(+43(2-@4D(A-01-234(27F+3.’4D(D(%4/4+(%40(.4B%224F73(7!ID(@C(SF+%C24+(.’4D%.7 A-.7FA43&34K-@4D(A-01-234(+(3.@-+A(7B34D!!":／"-@O)*NB(+(,(44(+4D%.4D-2(-@-4D(+2%0/ 1C(2! >*9=-5)7： *%+,-.／A%+,-.A-01-234(2；O)*N；)+%1D34%43-.；QC(A4+3A%.%CK232 2?@ABCDE?AEDFG：;%43-.%C$A3(.A(*-F.A3C（;$*&)/##$+/Q!("/!#"） 3?HHFIJ?ABEAKC@DLFH：I2(/8%-J-，Q/0%3C：4DG-"@AF!(7F!4B 4@DL?H8ADH?B@MDE?A：I2(/8%-J-（$)"+/），0%C(，:+-@(22-+，(.’%’(73.+(2(%+AD-@A%+,-.／A%+,-.A-01-234(2，A%+,-.@3,(+，%.7%A43&%4(7 A%+,-.@3,(+! ·"·第(期柯泽豪等：气相生长炭纤维增强酚醛树脂制炭／炭复合材料及其物性之研究万方数据气相生长炭纤维增强酚醛树脂制炭/炭复合材料及其物性之研究作者：柯泽豪，黄和胜，林彦谷，熊昌铂，张永昌作者单位：逢甲大学,材料科学系,台湾,台中刊名：新型炭材料英文刊名： NEW CARBON MATERIALS 年，卷(期)： 2002，17(3) 引用次数： 2次参考文献(11条) 1.Savage G Carbon-Carbon Composite 1993 2.立早炭纤维增强复合材料[期刊论文 ]-新型炭材料 1999(4) 3.李贺军炭/炭复合材料[期刊论文]-新型炭材料 2001(2) 4.Ishioka M.Okada T.Matsubara K Pre-paration of vapor-grown carbon fibers by floating catalyst method in Linz- Donawitz converter gas:influence of catalyst size 1993(5) 5.Gordeyev S A.Macedo F J.Ferreira J A Transport properties of polymer-vapour grown carbon fiber composites 2000(279) 6.李安邦气相生长炭纤维[期刊论文]-新型炭材料 1999(3) 7.Manocha L M.Yasuda E.Tanabe Y Effect of carbon fiber surface treatment on mechanical properties of C/C composites 1988(3) 8.Mckee D W Oxidation behavior and protection of carbon/carbon composites 1987 9.Patton R D.Pittman C U.Jr Wang L Vapor grown carbon fiber composites with epoxy and poly(phenylene sulfide) matrices 1999(30) 10.CARNEIRO O S.Covas J A.Bernardo C A Production and assessment of polycarbonate composites reinforced with vapour-grown carbon fibers 1998 11.Ting J M.Lake M L Vapor-grown carbon-fiber reinforced carbon composites 1995(5) 相似文献(0条) 引证文献(2条) 1.张华.史景利.郭全贵.王坤杰.赵建国.刘朗甲烷催化裂解制备毛线状炭纤维及其微观结构[期刊论文]-新型炭材料 2007(04) 2.郭领军.李贺军.薛晖.石振海.李克智短切炭纤维增强沥青基C/C复合材料的组织特征[期刊论文]-新型炭材料 2004(02) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xxtcl200203001.aspx 下载时间：2010年2月7日

                    本文档为【5醛树脂制炭炭复合材料及其物性之研究】，请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑，
                    图片更改请在作品中右键图片并更换，文字修改请直接点击文字进行修改，也可以新增和删除文档中的内容。 
 该文档来自用户分享，如有侵权行为请发邮件ishare@vip.sina.com联系网站客服，我们会及时删除。

                    [版权声明] 本站所有资料为用户分享产生，若发现您的权利被侵害，请联系客服邮件isharekefu@iask.cn，我们尽快处理。

                    本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权，请谨慎使用。

                    网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传，仅限个人学习分享使用，禁止用于任何广告和商用目的。
                

下载需要：免费已有0 人下载

立即下载

5醛树脂制炭炭复合材料及其物性之研究

你可能还喜欢