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以微觀力學模型探討複合材料之動態非線性行為
(2005)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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交通大學機械工程系
本研究目的在於探討以環氧樹脂為基材，碳纖維為增強材之複合材料受應變率影響之非線性行為。在此，我們假設環氧樹脂為黏塑性材料，而碳纖維為對等向線彈性材料。先由萬能拉伸試驗機完成環氧樹脂於10-4、10-2 及1/s 應變率下的壓縮試驗後，我們將從三個黏塑性本構模型中，依據實驗所得到的應力應變曲線，選用一個最適當者來描述環氧樹脂在不同應變率下之機械行為。這三個黏塑性模式分別為Three Parameters Model、Over Stress Model 以及Johnson-Cook Model。隨著已知的環氧樹脂與碳纖維之材料性質，複合材料整體的本構關係將以微觀力學方式來建立。在此，我們採用兩種微觀力學模式來描述複合材料的本構關係，分別是Square Fiber Model 以及Generalized Method of Cells。在這兩個模式之下，代表複合材料應力應變關係的本構方程式將由增量的方式來表示。此外，在本構方程式中，也將包含環氧樹脂與碳纖維之材料性質以及碳纖維的體積百分比與其排列方式。藉由數值運算將可模擬出不同應變率下複合材料之應力應變曲線。為了驗證微觀力學模擬之結果，我們利用偏軸之複合材料試片在10-4/s.700/s 應變率範圍下作壓縮實驗。在這些試驗中，低於1/s 應變率的測試將由萬能拉伸試驗機執行，而較高應變率的試驗則利用分離式霍普金森壓力桿來完成。所有的實驗數據與微觀力學模擬將作有系統地比較並討論其結果。
以微觀力學模型探討複合材料之動態非線性行為 (II)
(2006)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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交通大學機械工程系
本研究目的在於利用微觀力學的方法，探討碳纖維/環氧樹脂複合材料在不同應變率下之非線性行為。此複合材料由兩種成分所組成，一種是環氧樹脂，另外一種則是碳纖維。我們假設環氧樹脂材料呈現的是彈性/黏塑性行為; 而碳纖維方面則是彈性且均質的材料。基本上這是一個兩年期計畫。在第一年，我們藉由三種不同應變率, 10-4，10-2及1/杪, 的單向壓縮試驗，得知環氧樹脂在不同應變率下之應力與應變曲線; 並利用three parameter viscoplasticity model的黏塑性本構模型，模擬環氧樹脂隨應變率相關之機械行為。目前研究仍持續進行，已有一些初步的結果證明，應變率的確會對環氧樹脂的變形造成影響。整體來說，當應變率提升時，環氧樹脂的剛性也相對地增加。在第二年的計畫，我們將利用微觀力學模式的分析與複合材料相關成分特性，來描述碳纖維/環氧樹脂複合材料的本構關係。兩個以微觀力學為基礎的模式—Generalized Method of Cells(GMC)以及Square Fiber Model將分別用來模擬複合材料的機械行為。在微觀力學分析之下，複合材料的本構方程式將包含環氧樹脂與碳纖維之材料性質以及碳纖維的體積百分比及其在環氧樹脂中的排列方式。藉由數值運算，將可模擬出不同應變率下複合材料之應力應變曲線。為了驗證微觀力學模擬之結果，我們利用偏軸之複合材料試片在10-4/s至700/s為應變率範圍下進行壓縮試驗。在這些試驗當中，應變率低於1/s的試驗將由液壓式萬能拉伸試驗機執行，而較高應變率的試驗則利用分離式霍普金森壓力桿來完成。所有試驗結果與微觀力學模擬將作有系統地比較並討論其結果。
利用奈米粉體提昇纖維複合材料球拍機械特性之研究
(2011)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系（所）
本研究主要探討添加奈米顆粒及橡膠顆粒，對樹脂複材及纖維複合材料阻尼特性及撓曲剛性之影響。一般而言，雖然加入橡膠顆粒會有效地提昇材料阻尼特性，但往往也會導致材料剛性大幅降低。為了不影響纖維複合材料撓曲剛性，本研究提出利用添加二氧化矽奈米顆粒及橡膠顆粒的方法，有來效地增加材料阻尼特性。其主要概念為，除利用二氧化矽顆粒來補償因橡膠顆粒所導致撓曲剛性降低外，也同時利用二氧化矽奈米顆粒及橡膠顆粒，同步來提昇材料的阻尼效應。為驗證上述概念，我們利用超音波震盪器，均勻分散奈米顆粒及橡膠顆粒於樹脂中，並利用手積層佐以真空袋封裝方式來製造纖維/樹脂奈米複合材料。經由振動實驗，我們可以量得材料的頻率響應圖，及其共振頻率。透過半功率法及共振頻率，我們將可分別求得材料的阻尼比及其撓曲剛性。結果發現，不管是二氧化矽奈米粉體或橡膠顆粒，均能提昇樹脂複材的阻尼特性；當添加的比例為 10wt%二氧化矽粉體及10wt%橡膠顆粒時，材料顯然有較佳的阻尼特性，同時間材料的撓曲剛性也幾乎不受到影響。本計畫以目前結果為依據，將更進一步把含有奈米顆粒及橡膠顆粒的樹脂會浸於纖維中，形成混合式纖維複合材料，並了解其相關機械特性。此混合式複合材料技術概念，將應用至勝利體育有限公司以利其未來二代羽球拍之發展。
利用實驗及模擬分析來探討脫層複合材料三明治結構之破壞行為
(2013)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系（所）
近年來隨著節能減碳的潮流，複合材料三明治結構因具有輕量化、高彎矩強度與高彎矩剛性，已廣泛地應用於航太、汽車、風力葉片及相關工業。然而三明治結構往往因為製程的疏失、外力碰撞等，容易產生脫層缺陷，因此本研究主要目的為探討含脫層缺陷的三明治結構的破壞模式及其強度。當複合材料三明治結構脫層缺陷大於臨界長度時，三明治結構的主要破壞模式為局部挫曲，因此瞭解複合材料表層厚度、疊層順序以及芯材的性質對臨界脫層長度的影響將是研究討論的重點。本研究以碳纖維複合材料當表層，以聚甲基丙烯酰亞胺(polymethacrylimide)發泡材當芯材，並利用在表層與芯材間埋入離型布，以製作含脫層之複合材料三明治試片。藉由設計含不同脫層長度及不同複合材料疊層之三明治結構，並施以軸向壓縮負載，以觀察其臨界脫層長度值、破壞模式及壓縮強度。實驗觀察結果發現，破壞模式首先為脫層區域產生局部挫屈現象，接著為靠近脫層區域與界面間的芯材破裂。除了實驗量測觀察破壞模式之外，本研究亦透過有限元素分析(finite element analysis)，進行複合材料三明治結構的破壞模式與強度模擬分析。首先藉由線性挫曲分析得到含脫層三明治結構之局部挫曲模態，並以此模態當作擾動(perturbation)進行非線性分析。從非線性應變與負載曲線可預估挫曲負載(buckling load)。此外，藉由最大主軸應力準則來描述芯材的破壞，經過非線性分析，便可預估整體三明治結構的破壞強度。最後模擬結果將與實驗獲得的破壞模式及破壞強度進行分析與比較。
利用實驗及模擬分析來探討脫層複合材料三明治結構之破壞行為
(2012)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系（所）
近年來隨著節能減碳的潮流，複合材料三明治結構因具有輕量化、高彎矩強度與高彎矩剛性，已廣泛地應用於航太、汽車、風力葉片及相關工業。然而三明治結構往往因為製程的疏失、外力碰撞等，容易產生脫層缺陷，因此本研究主要目的為探討含脫層缺陷的三明治結構的破壞模式及其強度。當複合材料三明治結構脫層缺陷大於臨界長度時，三明治結構的主要破壞模式為局部挫曲，因此瞭解複合材料表層厚度、疊層順序以及芯材的性質對臨界脫層長度的影響將是研究討論的重點。本研究以碳纖維複合材料當表層，以聚甲基丙烯酰亞胺(polymethacrylimide)發泡材當芯材，並利用在表層與芯材間埋入離型布，以製作含脫層之複合材料三明治試片。藉由設計含不同脫層長度及不同複合材料疊層之三明治結構，並施以軸向壓縮負載，以觀察其臨界脫層長度值、破壞模式及壓縮強度。實驗觀察結果發現，破壞模式首先為脫層區域產生局部挫屈現象，接著為靠近脫層區域與界面間的芯材破裂。除了實驗量測觀察破壞模式之外，本研究亦透過有限元素分析(finite element analysis)，進行複合材料三明治結構的破壞模式與強度模擬分析。首先藉由線性挫曲分析得到含脫層三明治結構之局部挫曲模態，並以此模態當作擾動(perturbation)進行非線性分析。從非線性應變與負載曲線可預估挫曲負載(buckling load)。此外，藉由最大主軸應力準則來描述芯材的破壞，經過非線性分析，便可預估整體三明治結構的破壞強度。最後模擬結果將與實驗獲得的破壞模式及破壞強度進行分析與比較。
奈米黏土對玻璃纖維複合材料機械行為之影響
(2004)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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交通大學機械工程系
本研究的目標係在探討有機奈米黏土對於單方向纖維複合材料機械行為之影響。單方向複合材料在橫方向上的機械性質，如剛性、強度和夾層間的行為等，受基材影響甚大，此一特性為大家所熟知。一般而言，基材之機械性質較纖維差，導致於複合材料在橫向上強度也較弱。為了提高單方向複合材料在橫方向的機械行為，我們藉由1nm 厚且具有高剛性和高強度的矽酸鹽層來進行基材之改質處理。在未經特殊處理的情況下，奈米黏土藉由較弱的離子鍵結合聚集成黏土層。透過離子交換處理，在黏土表面上的鈉離子會被有機的陽離子所取代。再經適當的聚合反應，聚集在一起的有機黏土便會剝離且分散進入高分子基材中。而有機黏土的剝離的程度將可經由X光繞射儀(XRD)和穿透式電子顯微鏡(TEM)做檢驗。製造纖維奈米複合材料過程，包括將著含有有機黏土的基材與單方向玻璃纖維混合，使得基材圍繞並濕潤纖維。這個製程可以利用手工疊層之技術來進行。為了瞭解有機黏土對複合材料橫向機械行為的影響，藉由偏軸之長條狀試片在MTS 機器上進行單軸拉力測試，以提供所需的剪應力和橫向應力。由試驗結果便可得知複合材料的橫向楊氏模數，和因基材破壞導致的橫向破壞強度。另外，複合材料夾層間的破壞韌性，也可藉由Double Cantilever Beam(DCB)試片來作探討。材料破壞的表面將會用掃瞄式電子顯微鏡(SEM)來觀察以瞭解破壞機制。為了比較的目的，基材內不含有機黏土的纖維複材試片也將會作相同的試驗，且實驗結果也將一併作討論。
應變率對奈米複合材料機械行為之影響
(2002)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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交通大學機械工程系
應變率對奈米複合材料機械行為之影響 (II)
(2003)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系
探討奈米粉體及橡膠粉體對纖維加強奈米複合材料機械性質之影響
(2009)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系(所)
本研究主要探討兩種奈米複合材料的機械性質：環氧樹酯之破壞行為及以此環氧樹酯為基材之玻璃纖維/樹脂複合材料積層間破壞行為。兩種材料皆佐以奈米二氧化矽顆粒及橡膠顆粒進行改質。其中，更深入分析二氧化矽與橡膠顆粒的組合效果，對破壞行為之影響及其本構關係。本研究使用的橡膠顆粒有兩種：端羧基聚丁二烯丙烯腈（CTBN），以及核殼型橡膠(CSR)。一般來說，雖然加入橡膠顆粒能提高樹脂聚合物的韌性，但缺點是其剛性會顯著下降。為了提高環氧樹脂以及纖維複合材料的破裂韌性，同時不失其剛性，本研究提出利用二氧化矽奈米顆粒與橡膠顆粒，改質環氧樹脂基材，形成混成型奈米複合材料。首先製作不同比例混合成的環氧樹脂試片，接著進行拉伸測試並計算其楊氏係數。為了確認提出的假設--橡膠顆粒所造成環氧樹脂剛性下降之現象，能藉由奈米二氧化矽顆粒作有效地提升，因此利用拉伸實驗測試來驗證。除了拉伸剛性之外，藉由在單邊切口試片 (SENB)上進行三點式彎曲測試，以探討添加奈米二氧化矽顆粒與橡膠顆粒，對環氧樹脂材料之破壞韌性影響。此外，本研究亦藉由雙懸臂樑試片測量，來探討奈米二氧化矽顆粒與橡膠顆粒，對玻璃纖維奈米複合材料積層間破壞行為之影響。藉由掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察試片破壞表面，分析並確定其相關破壞機制。最後，根據此破壞機制，定性地來瞭解奈米二氧化矽顆粒與橡膠顆粒對複合材料之破壞行為之影響。
探討奈米顆粒對玻璃纖維複合材料動態及靜態壓縮強度之影響
(2010)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系（所）
本研究主要是探討不同含量的二氧化矽奈米粉體對玻璃纖維/環氧樹脂奈米複合材料壓縮強度的影響。藉由溶膠-凝膠技術，將粒徑 25 奈米之二氧化矽顆粒均勻分散於環氧樹脂當中。接著，利用真空手工積層方式，將二氧化矽與環氧樹脂之混合物嵌入單方向玻璃纖維中，製成含二氧化矽奈米粉體重量比為10,20,及30%之玻璃纖維/環氧樹脂複合材料平板。隨後，利用鑽石切割機將複合材料平板裁成大小6 毫米×6 毫米×6 毫米之樣品，以便進行壓縮試驗。分別以油壓式萬能拉伸實驗機及霍普金森桿來執行靜態及動態壓縮試驗，而測試片的纖維偏軸角度分別為0°、5°、10°、15°及90°。破壞試片分別以光學顯微鏡及透射電子顯微鏡觀察，以了解其相關破壞模式。最後，利用微挫屈模型來解釋二氧化矽奈米顆粒對玻璃纖維複合材料壓縮強度之影響。
探討石墨烯/環氧樹脂奈米複合材料機械特性
(2014)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系（所）
探討石墨烯/環氧樹脂奈米複合材料機械特性 (II)
(2015)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系（所）
探討粉體類奈米複合材料之機械性質
(2007)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系(所)
本研究旨在提出連續微觀力學模型，來描述以奈米尺寸的二氧化矽(Silica)球體為內含物，聚亞醯胺(Polyimide)奈米複合材料的機械性質。為了建立穩定且適合的二氧化矽/具聚亞醯胺奈米複合材料，藉由分子動力學(Molecular dynamic)模擬，依序完成NVT系綜及NPT系綜分析。模擬過程中檢查位勢能的變化，當能量在平均值附近變動持續一段時間，則系統達到平衡，且此分子結構達到了能量最低的狀態。藉由分子動力學模擬，可以分別計算出奈米內含物及週遭基材 (Matrix) 間的非鍵結間距(Non-bonded gap)，及非鍵結能量(non-bonded energy)。假設單位化後的非鍵結能量 (非鍵結能量除上內含物的表面積)，與球形內含物及其週遭基材互相作用之間，存在相互關係。接著發展包含球形內含物、基材以及等效介面層的三相連續微觀力學模型，以描述奈米複合材料的行為。在微觀力學模型中，等效介面層的尺寸假設為非鍵結間距，且藉由線性彈簧模型，可將單位化非鍵結能量對應為等效介面層的勁度。另一方面，由分子動力學模擬，分別給予分子結構三個方向微小的位移場，可直接計算出楊氏模數。此結果將與為微觀力學模型的結果比較。除了分子模擬之外，將利用拉伸以及破壞實驗研究球形內含物的奈米複合材料的機械性質。考慮20nm、200nm及1m三種不同的球形內含物，以瞭解內含物尺寸對於奈米複合材料之機械性質的影響。最後，實驗結果將與分子模擬以及連續微觀力學模型計算的結果，相互對照及比較。
探討粉體類奈米複合材料之機械性質
(2008)
蔡佳霖
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Tsai Jia-Lin
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國立交通大學機械工程學系(所)
本研究旨在提出連續微觀力學模型，來描述以奈米尺寸的二氧化矽(Silica)球體為內含物，聚亞醯胺(Polyimide)奈米複合材料的機械性質。為了建立穩定且適合的二氧化矽/具聚亞醯胺奈米複合材料，藉由分子動力學(Molecular dynamic)模擬，依序完成NVT系綜及NPT系綜分析。模擬過程中檢查位勢能的變化，當能量在平均值附近變動持續一段時間，則系統達到平衡，且此分子結構達到了能量最低的狀態。藉由分子動力學模擬，可以分別計算出奈米內含物及週遭基材 (Matrix) 間的非鍵結間距(Non-bonded gap)，及非鍵結能量(non-bonded energy)。假設單位化後的非鍵結能量 (非鍵結能量除上內含物的表面積)，與球形內含物及其週遭基材互相作用之間，存在相互關係。接著發展包含球形內含物、基材以及等效介面層的三相連續微觀力學模型，以描述奈米複合材料的行為。在微觀力學模型中，等效介面層的尺寸假設為非鍵結間距，且藉由線性彈簧模型，可將單位化非鍵結能量對應為等效介面層的勁度。另一方面，由分子動力學模擬，分別給予分子結構三個方向微小的位移場，可直接計算出楊氏模數。此結果將與為微觀力學模型的結果比較。除了分子模擬之外，將利用拉伸以及破壞實驗研究球形內含物的奈米複合材料的機械性質。考慮20nm、200nm及1m三種不同的球形內含物，以瞭解內含物尺寸對於奈米複合材料之機械性質的影響。最後，實驗結果將與分子模擬以及連續微觀力學模型計算的結果，相互對照及比較。