中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：C02-0001
奈米複合材料三明治結構之彎矩實驗
12
葉孟考、林佳民
12
國立清華大學動力機械工程學系教授
國立清華大學動力機械工程學系研究生國科會計畫編號：NSC-95-2221-E-007-015
摘要
複合材料具高強度、高韌性、質量輕、設計自由度高、耐腐蝕、高抗壓強度等優點，逐漸取代傳統材料成為材料工業之主流。近年來有許多複合材料產品，以三明治結構之方式進行設計，使其達到有效減輕結構重量、增加結構機械特性、防火與隔音效果等目的，因此三明治結構之複合材料具有極高之研究價值。本研究以三明治結構作為研究之主軸，表面材料為碳纖維強化複合材料，核心材料為添加多壁奈米碳管補強之高分子複合材料，並以三點彎曲測試方法研究三明治結構複合材料之機械特性；本文探討不同碳纖維疊層角度之表面材料([0°]4、[+30°/-30°]s 、[+45°/-45°]s 、[+60°/-60°]s 及[90°]4) 和改變核心材料之碳管含量(純高分子材料、1wt%及2wt%)對彎曲強度與破壞機制之影響。
關鍵字：奈米複合材料，奈米碳管，三明治結構，三點彎曲測試。
1. 前言
三明治結構之複合材料已廣泛應用各種領域，近年來更是有許多複合材料產品，如樂器、隔音板、防火牆、航空、汽車與運動器材等。因此三明治結構之複材對於許多產業有極高之應用價值，近年來亦有許多學者爭相研究此結構之相關問題。
Steevens 與Flect[1]以三點彎曲實驗研究找出最佳的三明治材料結構；在較低的負載下，核心材料可選用發泡材料；而在較高的負載下，核心材料可選用金屬蜂巢狀材料；受動態負載時，則需採用較高阻尼特性的黏彈性材料。Daniel 與Abot[2]測試三明治複合材料樑的彎曲行為，發現心材的楊氏係數遠小於表面材料的楊氏系數時，則心材的影響可以忽略，並用程式來模擬分析此問題。Hobbiebrunken 等人[3]利用三點彎曲實驗和數值分析來探討補強材碳纖維和基材環氧樹脂之間在受到彎距時的情況，並用SEM 來觀察破壞的過程。Mujika[4]討論試片在受到三點彎曲和四點彎曲時，試片與接觸點的改變對抗彎曲模數的影響，並用實驗加以驗證。Tomita 及Morioka[5]對具有5.5GPa 抗拉強度之碳纖維強化高分子材料，利用三點彎曲測試和沙丕衝擊測試，研究疊層方式對其機械性
質和破裂行為之影響。Kim 與Swanson[6]設計輕量化、高強度的三明治結構；核心材料密度較小時，破壞的機制是核心受剪變形的破壞，核心材料密度較高且厚度較厚時，破壞的機制是表面材料的纖維斷裂破壞。Vaidya[7]等人研究在核心材料為鋁時，不同表面材料的三明治板在承受低速和中速衝擊時，其衝擊能量吸收的能力，並量測三明治板衝擊過後的動態響應。Vadakke 與Carlsson[8]研究三明治結構脫膠時之挫曲，發現結構之挫曲負載隨著心材密度減小和脫層範圍越大而減小；材料密度越小，挫曲後繼續壓縮試片，則另一側越容易脱層。
關於奈米複合材料之機械性質相關研究方面，Lau 等人[9]及Lau 與Hui[10]在不同溫度下分別作硬度與三點彎矩測試，結果發現在2wt%複合材料所呈現之彎矩強度比純環氧樹脂低，推測原因為碳管與基材結合度不佳；Bai 與Allaoui[11]發現機械性質與CNT 聚集程度有關, 且複合材料導電性質隨著長度之減短而下降；Wang 等人[12]研究添加玻璃珠於高分子複合材料中，以三點彎曲試驗測試其玻璃珠含量對於複合材料彎曲強度之影響。Volokh 和Needleman[13]研究表面材料和心層之間黏著性對挫曲之影響。Avilès和Carlsson[14]分析三明治結構表面材料楊氏系數、表面材料厚度、心材密度、心材厚度和脫層大小對局部挫曲之影響，並以實驗驗證分析結果。
在本研究中，將以三點彎曲試驗研究三明治結構複合材料之機械特性，探討不同表面材料碳纖維疊層角度與改變環氧樹脂核心材料中多壁奈米碳管含量對彎曲強度與破壞機制之影響。
2. 實驗方法
2.1
複材疊層板試片製作
本文中所使用複材疊層板材料為熱固型碳纖維預浸材，單層的厚度為0.131mm ，熱壓前需將預浸材剪裁成所需之尺寸大小與纖維角度，並依疊層順序堆疊，之後再配合不透氣鐵弗龍置入上下模具中，最後再將模具置入熱壓機中進行熱壓成型。熱壓過程如下：將模具由室溫升到90℃，當溫度達到90℃後，持溫30分鐘；再將溫度升至130℃，同時施加85psi 之壓力；當溫度達到130℃後持溫與持壓60分鐘；最後讓溫度自然冷卻至室溫，降溫過程中，溫度下降至90℃
時，需將85psi 之氣體壓力完全卸除。2.2
多壁碳管/環氧樹脂複合材料
多壁碳管/環氧樹脂複合材料所使用的基材為信韓國際貿易有限公司所製作，型號為E120-H100雙劑熱固型環氧樹脂，成型條件為溫度85℃硬化成型；所使用的補強材為多壁奈米碳管(直徑20~40nm 、長度5~15μm 、純度≧95%；匡元生化科技有限公司) 。熱壓硬化前，材料先做預料混合處理。將環氧樹脂與硬化劑以3:1之劑量混合充分攪拌混合後，將其放於烘箱中，以60℃持溫5分鐘，此狀態下的樹脂之黏滯性和水相近，加入所需計量之多壁奈米碳管，將材料放於磁力攪拌機上攪拌混合5分鐘，超音波震盪5分鐘，使碳管均勻分散於基材中。再以真空烘箱抽真空一小時使氣泡從材料中排出，並將材料倒入鋁框模具中，放進烘箱中以60℃持溫1小時，使樹脂預硬化，提高樹脂之黏滯性，以利熱壓成型。將上下模與鋁框於熱壓機熱壓成型，以110℃持溫2小時，壓力為150psi ，隨後自然降溫至室溫，取出試片[15]。2.3
三明治結構試片製作
三明治試片上、下表面材料為碳纖維複材疊層板，核心材為多壁碳管/環氧樹脂複合材料。三明治試片之製作：依據ASTM C393-00規範[16]，將表面碳纖維疊層板與核心奈米複材裁切至130mm×12mm 後，利用環氧樹脂將表面與核心材料黏貼；製作過程中以熱壓機對三明治試片以30psi 施壓8小時，讓環氧樹脂接著劑厚度均勻。施壓結束後取出試片並置於室溫下24小時，確保環氧樹脂接著劑完全硬化。以此方式製作三明治試片，即可完成三明治結構試片的製作，如圖一所示。三明治試片尺寸如圖二所示。2.4
三點彎曲實驗
我們利用三點彎曲研究三明治結構複合材料之機械特性。實驗設備包含三點彎曲夾具、荷重元、位移計和訊號擷取系統，三點彎曲夾具架設與試片位置如圖三所示。荷重元可量測施加於三明治試片之力量，位移計可量測三明治試片在承受彎矩時之撓度，跨距為80mm 。3. 結果與討論
本次實驗量測15組三明治試片，改變三種核心材料，分別為環氧樹脂、1wt%及2wt%多壁碳管/環氧樹脂奈米複合材料，每種核心材料各搭配五種不同碳纖維疊層角度，每組試片各做三根試片進行實驗。三明治結構所能承受最大彎矩數據，如表一所示。3.1不同碳纖維疊層角度之表面材料
本研究將固定核心材料為2wt%多壁碳管/環氧樹脂奈米複合材料，改變表面材料之纖維疊層角度，探討表面材料之疊層角度對於三明治結構可承受之彎曲強度與破壞機制之影響。此三明治結構之彎曲力矩與撓度關係圖如圖四所示。
3.1.1碳纖維疊層角度[0°]4
表面材料疊層角度為[0°]4時，所能承受的力矩最大，當其超過所能夠承受的力矩時，因為碳纖維疊層板較不能承受壓力，所以上表層碳纖維疊層板會瞬間斷裂，且其黏接面會遭受破壞，力矩瞬間下降，如圖五(a)所示。由於碳纖維疊層板有優越的抗張力特性，所以下表層碳纖維疊層板損壞程度無上表層大。當撓度繼續增大時，下表層碳纖維疊層板也開始出現損壞，但核心材料具有較佳韌性與較大變形量，所以並無損壞，如圖五(b)所示。
3.1.2碳纖維疊層角度[+30°/-30°]s
表面材料疊層角度為[+30°/-30°]s 時，所能夠承受的最大力矩僅次於[0°]4時，當其超過所能夠承受的力矩時，碳纖維疊層板內纖維會先斷裂一部分，力矩會瞬間下降。由於碳纖維並沒有完全斷裂，且核心材料能可承受力矩，所以可承受之力矩會繼續上升，當所承受力矩到一定程度後，表面材料剩餘的碳纖維會繼續斷裂，可聽到持續的撕裂聲，而力矩也會持續下降，如圖六所示。
3.1.3碳纖維疊層角度[+45°/-45°]s
表面材料疊層角度為[+45°/-45°]s 時，因為±45°纖維疊層角度所能夠產生的變形量最大，所以其所能承受的撓度也最大，當超過所能承受的最大撓度後，碳纖維疊層板開始出現破壞，而可承受力矩也開始下降，如圖七所示。
3.1.4碳纖維疊層角度[+60°/-60°]s
表面材料疊層角度為[+60°/-60°]s 時，抵抗彎曲變形能力大部分由表面材料內基材提供，此時所能承受的力矩僅大於[90°]4。當其超過所能夠承受的力矩時，碳纖維疊層板開始出現破壞，而可承受力矩也開始下降，如圖八所示。
3.1.5碳纖維疊層角度[90°]4
表面材料疊層角度為[90°]4時，所能承受的力矩最小，因為主要是由表面材料內基材提供抵抗彎曲變形能力。當其超過所能夠承受的力矩時，三明治試片會瞬間斷裂成兩半飛出而損壞，如圖九所示。3.2
不同碳管含量之核心材料
本研究將固定表面材料之纖維疊層角度，改變核心材料的碳管含量，探討不同碳管含量之核心材料對於三明治結構可承受之彎曲強度與破壞機制之影響。
表面材料碳纖維疊層角度為[0°]4和[+30°/-30°]s
時，由於承受彎曲強度主要是由表面材料內碳纖維提供，所以核心材料的影響在此角度下影響不大，如圖十和圖十一所示。在疊層角度[90°]4時，承受彎曲變形主要是由表面材料基材樹脂提供，三明治試片會直接斷裂，核心材料的影響在此角度下也影響不大，如圖十二所示。
當表面材料碳纖維疊層角度為[+45°/-45°]s 和
[+60°/-60°]s 時，因為表面材料對抵抗彎曲變形的影響不大，所以在此疊層角度下核心材料的影響會變大，且其黏接面不會遭受破壞。當核心材料加入多壁奈米碳管時，能增加三明治試片所能承受的力矩。核心材料為1wt%及2wt%多壁碳管/環氧樹脂複合材料時，兩者在彎曲強度與破壞機制並無太大的差別，原因為其所加入的碳管含量差異並不大，所以實驗結果很接近，如圖十三和圖十四所示。
4. 結論
本文以三點彎曲測試方法，探討三明治結構在不同碳纖維疊層角度之表面材料和改變核心材料之奈米高分子複材的碳管含量，對彎曲強度與破壞機制之影響。主要結論如下：
(1)隨著表面材料碳纖維疊層角度變大，三明治
複材樑所能夠承受力矩會變小。
(2)當表面材料碳纖維疊層角度為[0°]4和
[+30°/-30°]s 時，表面材料內碳纖維提供抵抗彎曲變形的能力，核心材料的影響並不大，且其黏接面會遭受破壞。
(3)當表面材料碳纖維疊層角度為[+45°/-45°]s 和
[+60°/-60°]s 時，因為表面材料內對抵抗彎曲變形的影響不大，核心材料的影響提高，且其黏接面不會遭受破壞。
(4)當表面材料碳纖維疊層角度為[90°]4時，表面
材料內基材提供抵抗彎曲變形能力，材料破壞時會瞬間斷裂成兩半，核心材料的影響並不大。
(5)當核心材料加入多壁奈米碳管時，能顯著增
加三明治試片所能承受的力矩；但核心材料為1wt%及2wt%多壁碳管/環氧樹脂複合材料時，因其碳管含量差異不大，兩者在彎曲強度與破壞機制並無太大的差別。
5. 誌謝
本研究之完成需要感謝國科會計畫編號NSC-95-2221-E-007-015之經費補助。
6. 參考文獻
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Constructions, Annual Book
8. 圖表彙整
(a)核心材料：環氧樹脂。
(b)核心材料：多壁碳管/環氧樹脂。
圖一不同核心材料之三明治結構試片(表面材料：碳
纖維疊層板)
。
圖二
三明治試片尺寸示意圖。
圖三
三點彎矩夾具。
圖四三明治結構彎曲力矩與撓度關係圖(核心材
料：2wt%多壁碳管/環氧樹脂複合材料)
。
(a)上表面材料破壞。
(b)上下表面材料均破壞。
[0°]4碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環氧樹脂
之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
[+30°/-30°]s 碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環
氧樹脂之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
圖五
圖六
圖七[+45°/-45°]s 碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環
氧樹脂之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
圖八[+60°/-60°]s 碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環
氧樹脂之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
圖九
[90°]4碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環氧樹脂
之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
圖十表面材料[0°]4碳纖維疊層板在不同碳管含量
核心材料三明治結構彎矩與撓度關係圖。
圖十一表面材料[+30°/-30°]s 碳纖維疊層板在不同
碳管含量核心材料三明治結構力矩與撓度關係圖。
表面材料[90°]4碳纖維疊層板在不同碳管含
量核心材料三明治結構彎矩與撓度關係圖。
圖十三表面材料[+45°/-45°]s 碳纖維疊層板在不同碳管含量核心材料三明治結構彎矩與撓度關係圖。
圖十二
圖十四表面材料[+60°/-60°]s 碳纖維疊層板在不同碳管含量核心材料三明治結構彎矩與撓度關係圖。
表一
三明治結構三點彎矩實驗結果(表面材料：碳纖維疊層板，核心材料：多壁碳管/環氧樹脂奈
Bending Test of Sandwich with
Nanocomposites
Department Meng-Kao Yeh and Chia-Min Lin
National of Power Tsing Mechanical Hua Engineering
NSC Project Hsinchu, No.:NSC-95-2221-E-007-015
Taiwan University 30013
Abstract
specific Composite materials have advantages of high high and design strength, degree high of freedom, specific high stiffness, corrosion light resistant, weight, industries, high compressive fire such as musical strength. instrument, It can be used in many applications. wall, sports designed More equipment, and more composite aerospace acoustical and vehicle tile, weight, insulation and by to sandwich increase structure in order to products decease are the paper, made by the and fire prevention the mechanical in recent properties, years. In sound this graphite mechanical face laminates properties and of sandwich core material structure made
by polymer multi-walled carbon nanotubes (MWNTs)reinforced experiment, were measure the investigated three-point bending experimentally. test was In the structure. the reinforced face laminates The the influences mechanical properties of sandwich used to and content of carbon of MWNTs fiber orientation in strength paper. with The of nanocomposite core material on the in polymer bending fracture sandwich mechanism structure were of discussed in this were also various studied.
fiber orientations in sandwich the face structures laminates Keywords:Sandwich beam, Nanocomposites, Three-point Carbon bending nanotube, test.
中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：C02-0001
奈米複合材料三明治結構之彎矩實驗
12
葉孟考、林佳民
12
國立清華大學動力機械工程學系教授
國立清華大學動力機械工程學系研究生國科會計畫編號：NSC-95-2221-E-007-015
摘要
複合材料具高強度、高韌性、質量輕、設計自由度高、耐腐蝕、高抗壓強度等優點，逐漸取代傳統材料成為材料工業之主流。近年來有許多複合材料產品，以三明治結構之方式進行設計，使其達到有效減輕結構重量、增加結構機械特性、防火與隔音效果等目的，因此三明治結構之複合材料具有極高之研究價值。本研究以三明治結構作為研究之主軸，表面材料為碳纖維強化複合材料，核心材料為添加多壁奈米碳管補強之高分子複合材料，並以三點彎曲測試方法研究三明治結構複合材料之機械特性；本文探討不同碳纖維疊層角度之表面材料([0°]4、[+30°/-30°]s 、[+45°/-45°]s 、[+60°/-60°]s 及[90°]4) 和改變核心材料之碳管含量(純高分子材料、1wt%及2wt%)對彎曲強度與破壞機制之影響。
關鍵字：奈米複合材料，奈米碳管，三明治結構，三點彎曲測試。
1. 前言
三明治結構之複合材料已廣泛應用各種領域，近年來更是有許多複合材料產品，如樂器、隔音板、防火牆、航空、汽車與運動器材等。因此三明治結構之複材對於許多產業有極高之應用價值，近年來亦有許多學者爭相研究此結構之相關問題。
Steevens 與Flect[1]以三點彎曲實驗研究找出最佳的三明治材料結構；在較低的負載下，核心材料可選用發泡材料；而在較高的負載下，核心材料可選用金屬蜂巢狀材料；受動態負載時，則需採用較高阻尼特性的黏彈性材料。Daniel 與Abot[2]測試三明治複合材料樑的彎曲行為，發現心材的楊氏係數遠小於表面材料的楊氏系數時，則心材的影響可以忽略，並用程式來模擬分析此問題。Hobbiebrunken 等人[3]利用三點彎曲實驗和數值分析來探討補強材碳纖維和基材環氧樹脂之間在受到彎距時的情況，並用SEM 來觀察破壞的過程。Mujika[4]討論試片在受到三點彎曲和四點彎曲時，試片與接觸點的改變對抗彎曲模數的影響，並用實驗加以驗證。Tomita 及Morioka[5]對具有5.5GPa 抗拉強度之碳纖維強化高分子材料，利用三點彎曲測試和沙丕衝擊測試，研究疊層方式對其機械性
質和破裂行為之影響。Kim 與Swanson[6]設計輕量化、高強度的三明治結構；核心材料密度較小時，破壞的機制是核心受剪變形的破壞，核心材料密度較高且厚度較厚時，破壞的機制是表面材料的纖維斷裂破壞。Vaidya[7]等人研究在核心材料為鋁時，不同表面材料的三明治板在承受低速和中速衝擊時，其衝擊能量吸收的能力，並量測三明治板衝擊過後的動態響應。Vadakke 與Carlsson[8]研究三明治結構脫膠時之挫曲，發現結構之挫曲負載隨著心材密度減小和脫層範圍越大而減小；材料密度越小，挫曲後繼續壓縮試片，則另一側越容易脱層。
關於奈米複合材料之機械性質相關研究方面，Lau 等人[9]及Lau 與Hui[10]在不同溫度下分別作硬度與三點彎矩測試，結果發現在2wt%複合材料所呈現之彎矩強度比純環氧樹脂低，推測原因為碳管與基材結合度不佳；Bai 與Allaoui[11]發現機械性質與CNT 聚集程度有關, 且複合材料導電性質隨著長度之減短而下降；Wang 等人[12]研究添加玻璃珠於高分子複合材料中，以三點彎曲試驗測試其玻璃珠含量對於複合材料彎曲強度之影響。Volokh 和Needleman[13]研究表面材料和心層之間黏著性對挫曲之影響。Avilès和Carlsson[14]分析三明治結構表面材料楊氏系數、表面材料厚度、心材密度、心材厚度和脫層大小對局部挫曲之影響，並以實驗驗證分析結果。
在本研究中，將以三點彎曲試驗研究三明治結構複合材料之機械特性，探討不同表面材料碳纖維疊層角度與改變環氧樹脂核心材料中多壁奈米碳管含量對彎曲強度與破壞機制之影響。
2. 實驗方法
2.1
複材疊層板試片製作
本文中所使用複材疊層板材料為熱固型碳纖維預浸材，單層的厚度為0.131mm ，熱壓前需將預浸材剪裁成所需之尺寸大小與纖維角度，並依疊層順序堆疊，之後再配合不透氣鐵弗龍置入上下模具中，最後再將模具置入熱壓機中進行熱壓成型。熱壓過程如下：將模具由室溫升到90℃，當溫度達到90℃後，持溫30分鐘；再將溫度升至130℃，同時施加85psi 之壓力；當溫度達到130℃後持溫與持壓60分鐘；最後讓溫度自然冷卻至室溫，降溫過程中，溫度下降至90℃
時，需將85psi 之氣體壓力完全卸除。2.2
多壁碳管/環氧樹脂複合材料
多壁碳管/環氧樹脂複合材料所使用的基材為信韓國際貿易有限公司所製作，型號為E120-H100雙劑熱固型環氧樹脂，成型條件為溫度85℃硬化成型；所使用的補強材為多壁奈米碳管(直徑20~40nm 、長度5~15μm 、純度≧95%；匡元生化科技有限公司) 。熱壓硬化前，材料先做預料混合處理。將環氧樹脂與硬化劑以3:1之劑量混合充分攪拌混合後，將其放於烘箱中，以60℃持溫5分鐘，此狀態下的樹脂之黏滯性和水相近，加入所需計量之多壁奈米碳管，將材料放於磁力攪拌機上攪拌混合5分鐘，超音波震盪5分鐘，使碳管均勻分散於基材中。再以真空烘箱抽真空一小時使氣泡從材料中排出，並將材料倒入鋁框模具中，放進烘箱中以60℃持溫1小時，使樹脂預硬化，提高樹脂之黏滯性，以利熱壓成型。將上下模與鋁框於熱壓機熱壓成型，以110℃持溫2小時，壓力為150psi ，隨後自然降溫至室溫，取出試片[15]。2.3
三明治結構試片製作
三明治試片上、下表面材料為碳纖維複材疊層板，核心材為多壁碳管/環氧樹脂複合材料。三明治試片之製作：依據ASTM C393-00規範[16]，將表面碳纖維疊層板與核心奈米複材裁切至130mm×12mm 後，利用環氧樹脂將表面與核心材料黏貼；製作過程中以熱壓機對三明治試片以30psi 施壓8小時，讓環氧樹脂接著劑厚度均勻。施壓結束後取出試片並置於室溫下24小時，確保環氧樹脂接著劑完全硬化。以此方式製作三明治試片，即可完成三明治結構試片的製作，如圖一所示。三明治試片尺寸如圖二所示。2.4
三點彎曲實驗
我們利用三點彎曲研究三明治結構複合材料之機械特性。實驗設備包含三點彎曲夾具、荷重元、位移計和訊號擷取系統，三點彎曲夾具架設與試片位置如圖三所示。荷重元可量測施加於三明治試片之力量，位移計可量測三明治試片在承受彎矩時之撓度，跨距為80mm 。3. 結果與討論
本次實驗量測15組三明治試片，改變三種核心材料，分別為環氧樹脂、1wt%及2wt%多壁碳管/環氧樹脂奈米複合材料，每種核心材料各搭配五種不同碳纖維疊層角度，每組試片各做三根試片進行實驗。三明治結構所能承受最大彎矩數據，如表一所示。3.1不同碳纖維疊層角度之表面材料
本研究將固定核心材料為2wt%多壁碳管/環氧樹脂奈米複合材料，改變表面材料之纖維疊層角度，探討表面材料之疊層角度對於三明治結構可承受之彎曲強度與破壞機制之影響。此三明治結構之彎曲力矩與撓度關係圖如圖四所示。
3.1.1碳纖維疊層角度[0°]4
表面材料疊層角度為[0°]4時，所能承受的力矩最大，當其超過所能夠承受的力矩時，因為碳纖維疊層板較不能承受壓力，所以上表層碳纖維疊層板會瞬間斷裂，且其黏接面會遭受破壞，力矩瞬間下降，如圖五(a)所示。由於碳纖維疊層板有優越的抗張力特性，所以下表層碳纖維疊層板損壞程度無上表層大。當撓度繼續增大時，下表層碳纖維疊層板也開始出現損壞，但核心材料具有較佳韌性與較大變形量，所以並無損壞，如圖五(b)所示。
3.1.2碳纖維疊層角度[+30°/-30°]s
表面材料疊層角度為[+30°/-30°]s 時，所能夠承受的最大力矩僅次於[0°]4時，當其超過所能夠承受的力矩時，碳纖維疊層板內纖維會先斷裂一部分，力矩會瞬間下降。由於碳纖維並沒有完全斷裂，且核心材料能可承受力矩，所以可承受之力矩會繼續上升，當所承受力矩到一定程度後，表面材料剩餘的碳纖維會繼續斷裂，可聽到持續的撕裂聲，而力矩也會持續下降，如圖六所示。
3.1.3碳纖維疊層角度[+45°/-45°]s
表面材料疊層角度為[+45°/-45°]s 時，因為±45°纖維疊層角度所能夠產生的變形量最大，所以其所能承受的撓度也最大，當超過所能承受的最大撓度後，碳纖維疊層板開始出現破壞，而可承受力矩也開始下降，如圖七所示。
3.1.4碳纖維疊層角度[+60°/-60°]s
表面材料疊層角度為[+60°/-60°]s 時，抵抗彎曲變形能力大部分由表面材料內基材提供，此時所能承受的力矩僅大於[90°]4。當其超過所能夠承受的力矩時，碳纖維疊層板開始出現破壞，而可承受力矩也開始下降，如圖八所示。
3.1.5碳纖維疊層角度[90°]4
表面材料疊層角度為[90°]4時，所能承受的力矩最小，因為主要是由表面材料內基材提供抵抗彎曲變形能力。當其超過所能夠承受的力矩時，三明治試片會瞬間斷裂成兩半飛出而損壞，如圖九所示。3.2
不同碳管含量之核心材料
本研究將固定表面材料之纖維疊層角度，改變核心材料的碳管含量，探討不同碳管含量之核心材料對於三明治結構可承受之彎曲強度與破壞機制之影響。
表面材料碳纖維疊層角度為[0°]4和[+30°/-30°]s
時，由於承受彎曲強度主要是由表面材料內碳纖維提供，所以核心材料的影響在此角度下影響不大，如圖十和圖十一所示。在疊層角度[90°]4時，承受彎曲變形主要是由表面材料基材樹脂提供，三明治試片會直接斷裂，核心材料的影響在此角度下也影響不大，如圖十二所示。
當表面材料碳纖維疊層角度為[+45°/-45°]s 和
[+60°/-60°]s 時，因為表面材料對抵抗彎曲變形的影響不大，所以在此疊層角度下核心材料的影響會變大，且其黏接面不會遭受破壞。當核心材料加入多壁奈米碳管時，能增加三明治試片所能承受的力矩。核心材料為1wt%及2wt%多壁碳管/環氧樹脂複合材料時，兩者在彎曲強度與破壞機制並無太大的差別，原因為其所加入的碳管含量差異並不大，所以實驗結果很接近，如圖十三和圖十四所示。
4. 結論
本文以三點彎曲測試方法，探討三明治結構在不同碳纖維疊層角度之表面材料和改變核心材料之奈米高分子複材的碳管含量，對彎曲強度與破壞機制之影響。主要結論如下：
(1)隨著表面材料碳纖維疊層角度變大，三明治
複材樑所能夠承受力矩會變小。
(2)當表面材料碳纖維疊層角度為[0°]4和
[+30°/-30°]s 時，表面材料內碳纖維提供抵抗彎曲變形的能力，核心材料的影響並不大，且其黏接面會遭受破壞。
(3)當表面材料碳纖維疊層角度為[+45°/-45°]s 和
[+60°/-60°]s 時，因為表面材料內對抵抗彎曲變形的影響不大，核心材料的影響提高，且其黏接面不會遭受破壞。
(4)當表面材料碳纖維疊層角度為[90°]4時，表面
材料內基材提供抵抗彎曲變形能力，材料破壞時會瞬間斷裂成兩半，核心材料的影響並不大。
(5)當核心材料加入多壁奈米碳管時，能顯著增
加三明治試片所能承受的力矩；但核心材料為1wt%及2wt%多壁碳管/環氧樹脂複合材料時，因其碳管含量差異不大，兩者在彎曲強度與破壞機制並無太大的差別。
5. 誌謝
本研究之完成需要感謝國科會計畫編號NSC-95-2221-E-007-015之經費補助。
6. 參考文獻
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8. 圖表彙整
(a)核心材料：環氧樹脂。
(b)核心材料：多壁碳管/環氧樹脂。
圖一不同核心材料之三明治結構試片(表面材料：碳
纖維疊層板)
。
圖二
三明治試片尺寸示意圖。
圖三
三點彎矩夾具。
圖四三明治結構彎曲力矩與撓度關係圖(核心材
料：2wt%多壁碳管/環氧樹脂複合材料)
。
(a)上表面材料破壞。
(b)上下表面材料均破壞。
[0°]4碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環氧樹脂
之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
[+30°/-30°]s 碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環
氧樹脂之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
圖五
圖六
圖七[+45°/-45°]s 碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環
氧樹脂之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
圖八[+60°/-60°]s 碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環
氧樹脂之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
圖九
[90°]4碳纖維疊層板-2wt%多壁碳管/環氧樹脂
之三明治結構受三點彎矩破壞圖。
圖十表面材料[0°]4碳纖維疊層板在不同碳管含量
核心材料三明治結構彎矩與撓度關係圖。
圖十一表面材料[+30°/-30°]s 碳纖維疊層板在不同
碳管含量核心材料三明治結構力矩與撓度關係圖。
表面材料[90°]4碳纖維疊層板在不同碳管含
量核心材料三明治結構彎矩與撓度關係圖。
圖十三表面材料[+45°/-45°]s 碳纖維疊層板在不同碳管含量核心材料三明治結構彎矩與撓度關係圖。
圖十二
圖十四表面材料[+60°/-60°]s 碳纖維疊層板在不同碳管含量核心材料三明治結構彎矩與撓度關係圖。
表一
三明治結構三點彎矩實驗結果(表面材料：碳纖維疊層板，核心材料：多壁碳管/環氧樹脂奈
Bending Test of Sandwich with
Nanocomposites
Department Meng-Kao Yeh and Chia-Min Lin
National of Power Tsing Mechanical Hua Engineering
NSC Project Hsinchu, No.:NSC-95-2221-E-007-015
Taiwan University 30013
Abstract
specific Composite materials have advantages of high high and design strength, degree high of freedom, specific high stiffness, corrosion light resistant, weight, industries, high compressive fire such as musical strength. instrument, It can be used in many applications. wall, sports designed More equipment, and more composite aerospace acoustical and vehicle tile, weight, insulation and by to sandwich increase structure in order to products decease are the paper, made by the and fire prevention the mechanical in recent properties, years. In sound this graphite mechanical face laminates properties and of sandwich core material structure made
by polymer multi-walled carbon nanotubes (MWNTs)reinforced experiment, were measure the investigated three-point bending experimentally. test was In the structure. the reinforced face laminates The the influences mechanical properties of sandwich used to and content of carbon of MWNTs fiber orientation in strength paper. with The of nanocomposite core material on the in polymer bending fracture sandwich mechanism structure were of discussed in this were also various studied.
fiber orientations in sandwich the face structures laminates Keywords:Sandwich beam, Nanocomposites, Three-point Carbon bending nanotube, test.