Abstract
本研究之主要目的在於探討高性能碳纖維強化碳素複合材料製程參數對材料微結構及機械性質之影響。主要研究重點包括初次碳化及樹脂再含浸緻密化處理，化學氣相滲入緻密化處理及碳纖維表面氧化處理對碳╱碳複合材料微結構，形態學，破壞行為及機械性質之關係。結果顯示，以較低的升溫速度進行初次碳化可降低碳化時試片內部因酚醛樹脂熱裂解生成之氣體所造成之內部壓力，使碳化後的碳╱碳複合材料有較大的密度及較高的機械性質。複合材料密度及抗折強度隨熱處裡溫度增加而降低，主因是基材熱裂解時，因收縮形成許多空隙及缺陷。當熱處理溫度高於600℃時，密度及機械性質有稍微提昇，此時基材在試片破壞面有波紋狀結構被發現，在緻密化處裡研究方面，我們發現，樹脂在含浸處裡可有效減少複材內孔，且把抗折強度及模數從142MPa及47.5GPa，分別提升至240MPa及60GPa，由化學氣相滲入處裡的碳╱碳複合材料則有 較規則的碳層排列，抗折強度及模數可提昇至242MPa及57.8GPa，在化學氣相緻密化處裡過程中，可分成三區，分別有不同的重量變化率，密度變化及機械性質變化，且相對應至不同的材料微結構。在複合材料界面性質方面，研究結果顯示，在1000℃碳化處裡時，較弱的界面鍵結會造成界面剝離，纖維拉出等擬塑性的破壞行為，因此有較佳的機械強度。反之，過強的界面鍵結會使裂縫直接穿過纖維，形成劇烈式的破壞行為，使複材機械性質下降。若複材經2200℃石墨化處理，整個破壞行為剛好相反，未經纖維表面氧化處理的複合材料，因石墨化處裡造成碳基材收縮，增加界面機械接合力，使得裂縫成長直接穿過纖維，造成劇烈式破壞行為。若纖維經過表面氧化處裡，強化界面結合力，經過2200℃石墨化熱處理後，在複材界面附近有一應力石墨化層被發現，由於此石墨化層被發現，阻止裂縫成長直接穿過纖維，因而提昇複合材料的機械性質。另外經動態機械性質 (DMP)分析發現，2200℃石墨化比1000℃碳化處理的碳╱碳複合材料有較動態阻抗及較低的動態模數。