复合材料吸水膨胀行为测定

複合材料吸水膨脹行為測定

內容一複合材料之濕熱脹行為二Fick’sdiffusionlaw三應變量測方法四試驗步驟與結果五結論一.複合材料之濕熱脹行為1-1複材脹縮效應1.溫度變化產生之熱脹冷縮(或冷脹熱縮)2.濕氣滲入之膨脹現象1-2濕熱脹行為之影響遇濕熱變化之環境，複材性能會有明顯之變化是整體結構設計與分析之重要因素是一種可逆反應1-3單一方向複材之濕、熱脹係數熱脹係數，(thermalexpansioncoefficient)濕脹係數，(moistureexpansioncoefficient)E:Young’smodulusV:volumeratio:poisson’sratio因，大多之纖維均不吸水，如carbon、boron、glass1-4單一方向複材之濕、熱應變二.Fick’sdiffusionlaw2-1一維濕氣滲透Fick’sdiffusionlawc=材料含水率D=材料滲透係數t=時間z=滲透方向之座標

D為濕脹行為主要因素，通常以實驗求得hxzy2-2板內含水率M=飽和含水率h=板厚M容易由實驗求得，但欲得c(t,z)則非常困難，甚至不可能若已知，可以最小二乘法curve

fitting

得D、M若時間夠長，M=可直接求得，則只需curvefittingD2-3以濕脹應變代替含水率=平面內整體平均濕脹應變=沿厚度(z軸)方向之Z處濕脹應變

可得代入得1.當中為含水飽和應變2.隨水壓力、溫度影響，當條件固定時，為常數，則3.當h已知可以curvefitting

求D三.應變量測方法3-1過去採用之方法量測應變之工具SurfacestraingagemicrometerEmbeddedstraingage(1987年Daniel等人提出)Daniel等人將應變計埋在複材層與層中間。優點：不影響局部之水氣滲入不需使用膠結劑，可以粘結良好缺點：對長時間量測應變計可能遭水氣侵入，而失去準確性複材層數較少時，會因應變計造成之局部強化現象而引起誤差3-2本研究採用之方法1.採用懸吊技術量測應變2.濕脹應變計算

W=16~18cmd=0.5~0.8cmdWL/2L/23.溫度校正(校正為同一溫度之應變)

懸吊絲採用Glassfiber其

=0.56x10-6/oC當溫度升降在10oC

對精度影響不大，故予忽略As4/3501-6carbon/epoxy

=-0.9x10-6/oC=27x10-6/oC3-3誤差分析IfW=17cm,d=0.7cm由於d可量至約0.01mm故，

W可量至0.01mm/6=0.0017mm同時,應變可量至0.0017mm/170mm=10-5

(與應變計相當)

四.實驗步驟與結果4-1實驗步驟本研究採用As4carbon/epoxy複材，4-ply單向複材板採用大尺寸(20*20cm)，以減少sideeffect板側以silicon膠封，以減少水分從側面滲入在板表面以單絲玻璃纖維懸吊，如前圖，並使W=16~18cm(續)纖維中央懸吊一U形銅絲(約1mg)，使纖維拉直，並使d=0.5~0.8cm浸泡入玻璃水槽以相機定期拍照，觀察d之變化，換算成W之變化，以求取應變以拍攝與實物1:1之底片，洗成4x6”相片(可以放大4.5倍)，再以放大鏡(20倍)，可讀至(1/64x1/36)”=0.01mm4-2試驗結果本研究採用試體為1.90o方向4-ply,泡水30天2.0o方向4-ply,泡水30天試體一(90o方向4-ply,泡水30天)應變數據取至小數點後第五位實驗階段水溫變化約在160C~250C之間

實驗用複材板厚度h=0.5mm

約在第17天左右，可接近飽合飽和含水應變εM

約為0.00157，係取最後5天之平均應變1.取前14天之數據迴歸分析得

εM=0.00238，D=1.31E-9m2/day

2.取前21天之數據迴歸分析得εM=0.00174，D=2.67E-9m2/day3.取30天之數據迴歸分析得εM=0.00165，D=3.08E-9m2/day結果：εM與實驗值有相當差距，故以迴歸方法並不易求得εM若直接以實驗值εM=0.00157，單獨迴歸D，得D=3.6E-9m2/day

(若同時fittingεM

及D；εM=0.00165，D=3.08E-9m2/day)試體二(0o方向4-ply,泡水30天)五.結論結論

1.本研究採用懸吊觀測指標之方式，配合光學照相，藉以量測複材吸水膨脹，其中懸吊絲使用不吸水之玻璃纖維絲，並以不銹之細銅線，做為觀測指標，此種方式較一般以電子讀數法量測更具穩定性，同時對複材本身干擾亦最少，故對於採用應變計有困難之量測，如惡劣環境或需長時間量測時均十分適合。2.0o方向(fiber方向)應變極小幾乎等於0。3.

根據迴歸分析結果顯示，Fick’sdiffusionlaw，當數據取的天數較少時，未飽合階段極吻合，但後