Abstract
連續型碳纖維強化聚醚醚酮樹脂(Continuous Graphite Fiber Reinforced Polye-ther Ether Ketone; AS-4/PEEK) 熱塑性複合材料具有高強度及高剛性之特性，並有極佳的破壞韌性及抗脫層性，經廣泛之評估已運用於高精密度之零組件，並已使用於航空、太空工業結構件上。對於AS-4/PEEK (APC-2) 機構性質之探討，已有許多學者研究，但在長期性質之研究上，如潛變及疲勞性質，尚需做更深入的探討，因此，本論文乃針對AS-4/PEEK(APC-2) 複合材料之疲勞性質，潛變性質進行系統性之研究，並分析溫度、頻率、不同之應力比率及形態學（破壞機構、變形機構）與材料特性之關係，進而建立基本關係模式，增進理論模擬計算公式的完整性，使得連續型碳纖維強化PEEK (AS-4/PEEK)複合材料在結構設計時有充分之依據。本研究包括下列項目：一：根據疲勞測試及潛變測試（動態機械性質測試）之材料特性分析，建立下列各 性質之模式。 (a):疲勞測試之S-N 曲線方程式模式。 (b):殘餘強度之衰減模式。 (c):潛變與時間之關係模式。 (d):重疊原理用於潛變模式（長期潛變性質之預測）。二：進行微觀分析及非破壞檢測，了解其破壞與變形機構。 (a):以SEM，OM 觀察其破壞形態學。 (b):以X-RAY 分析其破壞與變形機構。三：由測試結果（破壞及非破壞檢測）及理論分析、理論推導，探討所建立模式的 合理性及有待改進的方向。本研究結果顯示，AS-4/PEEK (APC-2) 積層複合材料之疲勞性質依不同積層排列而有明顯差異，其破壞機構亦有所不同，含 0°層之積層其疲勞敏感度要比基材控制(Matrix Dominate) 之〔±45〕4s積層小。研究結果也顯示，韋伯分佈函數(Weib-ull Distribution Function)適用於不同應力等級下之疲勞壽命分佈分析，而整體之疲勞壽命分佈可用歸一化(Normalized)及聯合(Pooled)韋伯分佈函數分析之，並建立S-N 曲線。本研究以殘餘強度衰減模式來預測疲勞壽命分佈與殘餘強度分佈，發現其理論預測曲線與實驗結果相當吻合。在本研究中亦發現拉伸－壓縮(Tension-Compression) 的循環負荷對其複合材料的疲勞特性影響較大，而此相反的循環負荷方向造成拉伸－壓縮破壞模式取決於積層疊層的層間強度，因此其破壞模式也較伸張－伸張疲勞循環負荷複雜。本實驗以〔0/45/90/-45〕2s 積層複合材料進行拉伸－壓縮疲勞試驗，發現其拉伸－壓縮疲勞極限較拉伸－拉伸疲勞極限低。研究中亦發現複合材在循環負荷過程中有溫度上升之現象，其原因為循環負荷過程中，材料之黏彈特性造成遲滯循環(Hysteresis Loops)，此遲滯循環能與材料本身之內部磨擦為溫度上升之因素。實驗中發現〔±45〕4s積層在低頻率之疲勞測試時，溫度隨著負荷增加而上升，此顯示在低頻率之疲勞測試時，內部磨擦較遲滯循環能重要，而在高頻率之疲勞測試時溫度隨著負荷增加而上升並不明顯，此顯示在高頻率之疲勞測試，遲滯循環能較內部磨擦重要，在高頻率之疲勞測試產生的高熱，降低裂縫起始之抵抗能力，造成脫層提早產生而減少疲勞壽命，但可藉 0°層之加入而改善此現象。〔±45〕4s積層複合材料之性質為基材所支配(Matrix Dominate) ，具有強烈的黏彈特性，此AS-4/PEEK 積層複合材料經由不同應力與不同溫度之潛變測試，發現應力及溫度對其潛變行為具有非線性之加速作用。而且其潛變現象在93℃附近開始有明顯之變化，而在 120℃時變化更劇烈。本研究以Findley Equation建立潛變性質之數學模式，其理論預測與實驗值相當吻合。而且以Findley Equation結合時間－溫度－應力重疊原理，由短期600 min 之潛變結果，建立之主曲線可預測長期潛變，其理論預測曲線與實驗結果頗為吻合。