本文旨在研製高性能五層鎂合金與碳纖維/聚醚醚酮含奈米微粒之異向性奈米複材積層板，採用0.5mm厚之鎂板，而碳纖維/聚醚醚酮預浸布則依需求堆疊成十字疊及類似均向疊兩種，同時在層間均勻塗佈SiO2奈米微粒。另外，鎂合金薄片在與複材堆疊成五層之異向性材料積層板前須用CrO3作表面處理，然後再依早期完成之修正隔膜成形法進行固化過程，完成積層板製作。
首先進行不同溫度的機械性能測試，環境溫度參數為室溫(25℃)、50℃、75℃、100℃、125℃和150℃，進而獲致機械性能，包含破壞強度、彈性模數及應力-應變關係。接著進行不同溫度的拉伸-拉伸疲勞實驗，環境溫度參數為室溫(25℃)、75℃、100℃、125℃和150℃。由實驗得到以下結果：
1.應力-應變圖於應變約0.0015處斜率發生變化，推估應為試片於此時產生微小破壞而造成此現象發生，故取應變範圍0到0.0015作曲線契合所得之彈性模數較為接近理論值。
2.機械性能有隨著溫度升高而逐漸衰退的趨勢。
3.鎂合金/類似均向疊試片在抵抗溫度效應之能力優於鎂合金/十字疊試片。
4.鎂合金/十字疊試片較鎂合金/類似均向疊試片為脆性。
5.在OM的觀察中發現第三片表面處理之鎂合金與熱壓成形後產生脫層之鎂合金皆有不規則亮紋出現，此亮紋即為表面處理之缺陷。
6.由實驗中發現鎂合金AZ31在環境溫度50℃、75℃時有析出強化的效果。

This thesis aims to fabricate the high performance Magnesium/Carbon-Fiber/PEEK five-layer hybrid nanocomposite laminates. The adopted Mg thin sheets are 0.5mm thick. The Carbon-Fiber/PEEK prepregs were stacked into two lay-ups, such as cross-ply [0/90]s and quasi-isotropic [0/45/90/-45], with the adding of nanoparticles SiO2 spreaded among the laminates. After etching of Mg foils by CrO3-base etchants, a five-layered Mg/Carbon-Fiber/PEEK nanocomposite laminate was made according to the modified diaphragm curing process.
Then, the mechanical properties, such as stress-strain curve, strength and stiffness were obtained by tensile test at room temperature (25℃), 50, 75, 100, 125 and 150℃ and the fatigue properties were also obtained under constant stress amplitude tension-tension cyclic loading elevated at room and elevated temperatures 25, 75, 100, 125 and 150℃. Finally, the Mg sheets and fractured laminates were observed by the SEM and OM. The results according to the experiments were summarized as follows:
1.The slope of stress-strain curve dropped at strain≒0.0015. It can be inferred that fracture occurred in the laminates at this time. Stiffness approached the theoretical value by curve fitting with the strain range of 0 to 0.0015.
2.The mechanical properties decreased with the environmental temperature rise.
3.The resistance to the temperature effect of the quasi-isotropic Magnesium/Carbon-Fiber/PEEK laminate is superior to that of the cross-ply Magnesium/Carbon-Fiber/PEEK laminate.
4.The cross-ply Magnesium/Carbon-Fiber/PEEK laminate is brittler than that of the quasi-isotropic laminate generally.
5.The irregular bright lines were found in the third etched Mg sheet and that resulted in the delamination of Mg sheet after treatment. The unetched part maybe the defect of Mg sheet.
6. It was found that AZ31 has the precipitation hardening effect at 50℃ and 75℃.

目錄
摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 材料簡介 1
1-2-1 複合材料概述 2
1-2-2 奈米材料性質簡介 2
1-2-3 奈米複合材料簡介 3
1-2-4 鎂合金AZ31材料性質簡介 4
1-3 研究方向 5
1-4 文獻回顧 6
1-5 組織與章節 8
第二章 實驗工作 9
2-1 實驗材料簡介 9
2-2 儀器設備 9
2-3 鎂合金奈米複材積層板之製程 10
2-3-1 熱壓前複材之處理過程 10
2-3-2 將複材熱壓成積層板 11
2-4 試片製作與分組 13
2-5 拉伸與疲勞實驗 13
2-6 掃瞄式電子顯微鏡與光學顯微鏡實驗 15
第三章 實驗結果 23
3-1 靜態拉伸實驗 23
3-2 疲勞實驗 24
3-3 電子顯微鏡和光學顯微鏡觀察 27
3-4 破壞機制觀察 27
第四章 分析與討論 67
4-1鎂合金AZ31對複材機械性能之影響 67
4-1-1 在極限強度與彈性模數方面 67
4-1-2 在疲勞強度方面 69
4-2 環境效應之影響 70
4-3 破壞模式之探討 70
4-4 表面處理之探討 73
第五章 結論 79
參考文獻 81


表目錄
表3-1室溫下鎂合金/十字疊之極限強度與彈性模數表 30
表3-2室溫下鎂合金/類似均向疊之極限強度與彈性模數表 30
表3-3溫度50℃下鎂合金/十字疊之極限強度與彈性模數表 31
表3-4溫度75℃下鎂合金/十字疊之極限強度與彈性模數表 31
表3-5溫度100℃下鎂合金/十字疊之極限強度與彈性模數表 32
表3-6溫度125℃下鎂合金/十字疊之極限強度與彈性模數表 32
表3-7溫度150℃下鎂合金/十字疊之極限強度與彈性模數表 33
表3-8溫度50℃下鎂合金/類似均向疊之極限強度與彈性模數表 33
表3-9溫度75℃下鎂合金/類似均向疊之極限強度與彈性模數表 34
表3-10溫度100℃下鎂合金/類似均向疊之極限強度與彈性模數表 34
表3-11溫度125℃下鎂合金/類似均向疊之極限強度與彈性模數表 35
表3-12溫度150℃下鎂合金/類似均向疊之極限強度與彈性模數表 35
表3-13各溫度下鎂合金之極限強度與彈性模數 36
表3-14室溫下鎂合金/十字疊試片施加應力與疲勞振次實驗值 37
表3-15室溫下鎂合金/類似均向疊試片施加應力與疲勞振次實驗值 38
表3-16溫度75℃下鎂合金/十字疊試片施加應力與疲勞振次實驗值 39
表3-17溫度100℃下鎂合金/十字疊試片施加應力與疲勞振次實驗值 40
表3-18溫度125℃下鎂合金/十字疊試片施加應力與疲勞振次實驗值 41
表3-19溫度150℃下鎂合金/十字疊試片施加應力與疲勞振次實驗值 42
表3-20溫度75℃下鎂合金/類似均向疊施加應力與疲勞振次實驗值 43
表3-21溫度100℃下鎂合金/類似均向疊施加應力與疲勞振次實驗值 44
表3-22溫度125℃下鎂合金/類似均向疊施加應力與疲勞振次實驗值 45
表3-23溫度150℃下鎂合金/類似均向疊施加應力與疲勞振次實驗值 46
表3-24複材試片疲勞實驗之應用統計曲線擬合結果 47
表4-1鎂合金/十字疊試片極限強度之混合理論計算結果 74
表4-2鎂合金/十字疊試片彈性模數之混合理論計算結果 74
表4-3鎂合金/類似均向疊試片極限強度之混合理論計算結果 75
表4-4鎂合金/類似均向疊試片彈性模數之混合理論計算結果 75
表4-5 鎂合金/十字疊試片極限強度及彈性模數之實驗值與理論值比較表 76
表4-6 鎂合金/類似均向疊試片極限強度及彈性模數之實驗值與理論值比較表 76
表4-7鎂合金/十字疊試片以應變值0到0.0015為curve fitting範圍之彈性模數的實驗值與理論值比較表 77
表4-8鎂合金/類似均向疊試片以應變值0到0.0015為curve fitting範圍之彈性模數的實驗值與理論值比較表 77








圖目錄
圖2-1SCHOTT-SLR電磁攪拌器 16
圖2-2GF-200 多功能精密電子天平 16
圖2-3控溫隔絕箱 17
圖2-4YS-N-I15201製氮機 17
圖2-5熱壓成形機 18
圖2-6 GT-8510A水冷式鑽石輪切割機 18
圖2-7 MTS-458控制平台與電腦 19
圖2-8 MTS-810材料試驗機及高溫爐設備 19
圖2-9 MTS-651高溫爐 20
圖2-10化學反應式 20
圖2-11複材積層板合成圖 21
圖2-12複材積層板中APC-2疊層示意圖 21
圖2-13複材積層板熱壓成形之進程圖 22
圖2-14標準試片尺寸圖 22
圖3-1室溫下鎂合金/十字疊應力應變圖 48
圖3-2溫度50℃下鎂合金/十字疊應力應變圖 48
圖3-3溫度75℃下鎂合金/十字疊應力應變圖 49
圖3-4溫度100℃下鎂合金/十字疊應力應變圖 49
圖3-5溫度125℃下鎂合金/十字疊應力應變圖 50
圖3-6溫度150℃下鎂合金/十字疊應力應變圖 50
圖3-7室溫下鎂合金/類似均向疊應力應變圖 51
圖3-8溫度50℃下鎂合金/類似均向疊應力應變圖 51
圖3-9溫度75℃下鎂合金/類似均向疊應力應變圖 52
圖3-10溫度100℃下鎂合金/類似均向疊應力應變圖 52
圖3-11溫度125℃下鎂合金/類似均向疊應力應變圖 53
圖3-12溫度150℃下鎂合金/類似均向疊應力應變圖 53
圖3-13高溫下之鎂合金/十字疊應力應變圖 54
圖3-14高溫下之鎂合金/類似均向疊應力應變圖 54
圖3-15常溫下鎂合金/十字疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 55
圖3-16常溫下鎂合金/類似均向疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 55
圖3-17溫度75℃下鎂合金/十字疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 56
圖3-18溫度100℃下鎂合金/十字疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 56
圖3-19溫度125℃下鎂合金/十字疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 57
圖3-20溫度150℃下鎂合金/十字疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 57
圖3-21高溫下鎂合金/十字疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 58
圖3-22溫度75℃下鎂合金/類似均向疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 58
圖3-23溫度100℃下鎂合金/類似均向疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 59
圖3-24溫度125℃下鎂合金/類似均向疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 59
圖3-25溫度150℃下鎂合金/類似均向疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 60
圖3-26各溫度下鎂合金/類似均向疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 60
圖3-27鎂合金/十字疊試片Mapping圖 61
圖3-28鎂合金/類似均向疊試片Mapping圖 61
圖3-29鎂合金(a)以#40砂紙做表面處理(b)以#40砂紙做表面處理並以CrO3 溶液做表面處理(c)以#40砂紙做表面處理並以與兩片鎂合金反應過之CrO3 溶液表面處理之(d)經熱壓成形後與APC-2黏結完美之鎂合金(e)經熱壓成形後與APC-2產生剝離之鎂合金 62
圖3-30不同溫度中鎂合金/十字疊試片經拉伸實驗後破斷圖，由左而右分別為室溫、50、75、100、125及150℃ 62
圖3-31不同溫度中鎂合金/類似均向疊試片經拉伸實驗後破斷圖，由左而右分別為室溫、50、75、100、125及150℃ 63
圖3-32不同溫度中鎂合金/十字疊試片經疲勞實驗後破斷圖，由左而右分別為室溫、75、100、125及150℃ 63
圖3-33不同溫度中鎂合金/類似均向疊試片經疲勞實驗後破斷圖，由左而右分別為室溫、75、100、125及150℃ 64
圖3-34鎂合金/十字疊試片於各溫度下拉伸實驗後其破斷面之SEM掃描圖(a)室溫(b) 50℃(c) 75℃(d) 100℃(e)125℃(f)150℃ 64
圖3-35鎂合金/類似均向疊試片於各溫度下拉伸實驗後其破斷面之SEM掃描圖(a)室溫(b) 50℃(c) 75℃(d) 100℃(e) 125℃(f) 150℃ 65
圖3-36鎂合金/十字疊試片於各溫度下疲勞實驗後其破斷面之SEM掃描圖(a)室溫(b) 75℃(c) 100℃(d) 125℃(e) 150℃ 65
圖3-37鎂合金/類似均向疊試片於各溫度下疲勞實驗後其破斷面之SEM掃描圖(a)室溫(b)75℃(c)100℃(d)125℃(e)150℃ 66
圖4-1常溫下鎂合金/十字疊和鎂合金/類似均向疊試片無因次應力與疲勞振次曲線擬合圖 78

參考文獻
[1] 周森, ”複合材料-奈米、生物科技”, 全威出版社, 2002年.
[2] Marissen, R., “Flight Simulation Behaviour of Aramid Reinforced Aluminum Laminates (ARALL)”, Eng. Fract. Mech., Vol. 19, No. 2, 1984, pp.261-277.
[3] Marissen, R., Trautmann, K. H., Foth, J. and Nowack, H., “Microcrack Growth in Aramid Reinforced Aluminum Laminates (ARALL)”, Fatigue 84, Proc. 2nd Int. Conf. On Fatigue and Fatigue thresholds (edited by C. J. Beevers), Vol. Ⅱ, EMAS Ltd. Warley, U.K., 1984, pp. 1081-1089.
[4] Marissen, R., “Fatigue Mechanisms in ARALL, a Fatigue Resistant Hybrid aluminum Aramid Composite Material”, Fatigue 87, Proc. 3rd Int. Conf. on Fatigue and Fatigue thresholds (Edited by R. O. Ritchie and E. A. Starke), Vol. 3, EMAS Ltd. Warley, U.K., 1987, pp. 1271-1279.
[5] Lin, C. T., Yang, F. S. and Kao, P. W., “Fatigue Behavior of Carbon Fibre-Reinforced Aluminum Laminates”, COMPOSITES, Vol. 22, No. 2, 1991, pp. 135-141.
[6] Ritchie, R. O., Yu, W. and Bucci, R. J., “Fatigue Crack Propagation in ARALL Laminates: Measurement of the Effect of Crack-tip Shielding from Crack Bridging”, Eng. Fract. Mech., Vol. 32, No. 3, 1989, pp.361-377.
[7] Macheret, J., Teply, J. L. and Winter, E. F. M., “Delamination Shape Effects in Aramid-Epoxy-Aluminum ( ARALL ) Laminates with Fatigue Cracks”, Polym. Composites, Vol. 10, No. 5, 1989, pp. 322-327.
[8] Lin, C. T, Kao, P. W, Jen, M. -H.R., “Thermal Residual Strains in Carbon Fiber-Reinforced Aluminum Laminates,” COMPOSITES, Vol.25, No.4, 1994, pp. 303-307.
[9] Polmear, I. J., “Overview: Magnesium Alloys and Applications,” Materials Science and Technology, Vol.10, No.1, 1994, pp. 1-16.
[10] Polmear, I. J., “Recent Developments in Light Alloys,” Materials Transactions, JIM, Vol.37, No.1, 1996, pp.12-31.
[11] Kojima, Y., “Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloys,” Materials Science Forum, Vol.350-351, 2000, pp. 3-18.
[12] Katzman, H. A., “Fibre Coatings for the Fabrication of Graphite-reinforced Magnesium Composites,” J. of Materials Science, Vol.22, 1987, pp.144-148.
[13] Wu, F., Zhu, J., Ibe, K., and Oikawa, T., “Analysis of the Interface in Graphite/Magnesium Composites at the Nanometer Scale,” Composites Science and Technology, Vol.58, 1998, pp. 77-82.
[14] Kuo, M. C., Huang, J. C., Chen, M., and Jen, M.-H.R., “Fabrication of High Performance Magnesium/Carbon-Fiber/PEEK Laminates Composites,” Materials Transactions, the Japan Institute of Metals, Vol.44, No.8, 2003, pp. 1613-1619.
[15] Diao, X., Lin, T., and Mai, Y. W., 1997,“Fatigue Behavior of CF / PEEK Composites Kaminates Made From Commingled Prepreg. Part Ⅱ：Statistical Simulation“, Composite Part-A, pp.749~755.
[16] Gardin, C. H., and Frenot, M. C. L., 1992, “Fatigue Behavior of Thermoset and Thermoplastic Cross-Ply Laminates“, Composites, Vol.23, pp.109~116.
[17] Moffatt, J.E., and Plumbridge, W.J., and Hermann, R., 1997, “High Temperature Crack Annealing Effects on Fracture Toughness of Alumina and Alumina-SiC composite”, British Ceramic Transactions, Vol.96, pp.23~29.
[18] Rao, K.T.V., and Ritchie, R.O.,1998, “High-Temperature Fracture and Fatigue Resistance of a Ductile B-TiNb Reinforced G-TiAl Intermetallic Composite”, Acta Materialia, Vol.46, pp.4167~4180.
[19] Xia,K., and Langdon, T.G., 1996, “Fracture Behavior at Elevated Temperatures of Alumina Matrix Composites Reinforced with Silicon Carbide Whiskers”, Journal of Materials Science, Vol.31, pp.5487~5492.
[20] Telreja, R., 1987, Fatigue of Composite Materials, Technomic Publishing Co. Inc.
[21] Hwang, W., and Han, K.S., 1986, “Fatigue of Composite-Fatigue Modulus Concept and Life Prediction”, Journal of Composite Materials, Vol.20, pp.154~165.
[22] Subramanian S., Reifsnider K.L., and Stinchcomb W.W., 1995, “A Cumulative Damage Model to Predict The Fatigue Life of Composite Laminates Including The Effect of a Fiber-Matrix Interphase”, International Journal of Fatigue, Vol.17, pp.343~351.
[23] Miyano, Y., and Nakada, M., 1997, “Prediction of Flexural Fatigue Strength of CRFP Composites Under Arbitrary Frequency, Stress Ratio and Temperature”, Journal of Composite Materials, Vol.31, pp.619~638.
[24] Schaff, J. R., 1997, “Life Prediction Methodology for Composite Structures. Part Ⅱ-Spectrum Fatigue”, Journal of Composite Materials, Vol.31, pp.158~181.
[25] Song, D. Y., 1997, “Fatigue Life Prediction of Cross-Ply Composite Laminates”, Materials Science and Engineering-A, pp.329~335.
[26]Hwang, W., and Han, K. S., 1989, “Fatigue of Composite Materials-Damage Model and Life Prediction”, American Society for Testing and Materials STP 1012, Philadelphia, pp.87~102.
[27] Knut, O. R., and Andreas, T. E., 1996, “Estimation of Fatigue Curves for Design of Composite Laminates”, Composites Part-A, pp.485~491.
[28] 李傳華, 1998, “複合材料積層板疲勞強度與壽命預測及層間應力分析”, 國立中山大學機械所博士論文.
[29] 彭聖森, 1999, “ 碳纖維/聚醚醚酮複合材料積層板溫度效應對疲 勞破壞行為之影響 ”, 國立中山大學機械所碩士論文.
[30] 張熙超, 1999, “ 碳纖維/聚醚醚酮複合材料積層板鑽孔及溫度效 應之破壞機制與機械性質分析 ”, 國立中山大學機械所碩士論文.
[31] 曾育鍾, 2000, ” 中央鑽孔碳纖維/聚二醚酮複材積層板之高溫疲勞探討 ”, 國立中山大學機械所碩士論文.
[32] 蔡健民, 2003, ” 以奈米粉體強化之高性能高分子PEEK製程與機械性質分析 ”, 國立中山大學材料科學所碩士論文.
[33] 吳俊憲, 2004, “ 石墨纖維/聚醚醚酮奈米複材積層板之研製與機械性能探討 ”, 國立中山大學機電所碩士論文.
[34] 黃育信,2005, “奈米複材積層板承受高溫疲勞作用其機械性能之探討”,國立中山大學機電所碩士論文.