玻璃纖維織造複合材料在高溫下的彎曲疲勞行為

關鍵詞：彎曲疲勞、複合材料機械強度、熱穩定性、玻璃纖維織造複合材料、ASTM D6272、電子產品

EF035-TW

摘要

本研究運用 Electroforce 3330 載荷框架探討操作溫度對兩種等級 Garolite 玻璃纖維織造複合材料的彎曲特性和疲勞壽命之影響。在兩種操作溫度下對試樣執行四點彎曲單向和正弦疲勞負載試驗。其中，我們測量並比較了複合材料的彎曲強度、模數和疲勞壽命。研究結果顯示了在彎曲負載下機械特性和疲勞壽命對溫度的依賴關係。儘管在高操作溫度 100 °C 之下，這兩種等級 Garolite 的疲勞壽命均顯著下降，但相對於 G10 等級，G11 保持了較大比例的強度。這些實驗方法和結果有助於深入理解不同操作溫度下材料在各種應用中的性能。

緒論

玻璃纖維織造複合材料比傳統材料（如金屬、陶瓷和塑膠）具有更高的剛度重量比和強度重量比，因此廣泛應用於結構支撐 [1]。Garolite 是一種廣為人知的高性能玻璃纖維織造複合材料，由嵌入各種熱固性樹脂的織造玻璃布製成。由於它的電氣絕緣性、尺寸穩定性、耐久性和抗潮濕性，主要應用於電子、醫療、航太和海洋領域。G10 與 G11 是兩種等級的環氧樹脂玻璃纖維 Garolite 層壓板，主要以極高的強度和熱穩定性為特徵。雖然 G-11 與 G-10 具有類似的組成，但使用了不同的樹脂添加劑以便在高溫下維持結構強度。

溫度是可能影響複合材料特性的關鍵因素之一。先前的研究顯示，當操作溫度增加時，由於樹脂分解及纖維鍵結減弱，會降低纖維強化複合材料的強度 [2]。因此，當我們日益增加 Garolite 或複合材料在較高溫度下的應用時，需要進一步瞭解它們的熱穩定性。然而，目前很少有研究探討 Garolite 在疲勞負載下溫度對機械性能的影響。在許多應用中，重複或循環負載都是不可避免的。由於複合材料會累積如裂痕和變形等損傷，因此有必要充分評估壽命減少的程度 [3]。本研究測試 G10 與 G11 這兩種商業 Garolite 複合材料在兩種不同溫度下的機械特性，特別探討溫度對於疲勞行為的影響。

實驗

我們測試美國伊利諾州 McMaster-Carr 的 G10 與 G-11 這兩種商業玻璃纖維織造複合材料，採取橫切面尺寸為 25.4 公厘 X 3.2 公厘的矩形棒，以評估在高溫下的結構穩定性。供應商提供的材料性質如表 1。

表 1. Garolite 複合材料的性質。

G-10 G-11
拉伸強度 (MPa) 240-345 289-404
彎曲強度 (MPa) 310-413 384-528
最高溫 (°C) 130 170
*未提供模數或疲勞強度規格

在室溫 (RT) 和 100 °C 下，對試樣進行單向負載至變形及循環式疲勞至變形的四點彎曲試驗。試驗儀器使用 TA Instruments ElectroForce 載荷框架，型號 3330，最大力 3000 N，並配備一個溫度範圍從
-150 °C 到 350 °C 的烤爐（圖 1）。

Figure 1. ElectroForce 3330 load frame with an oven and shown with tensile testing fixtures
Figure 1. ElectroForce 3330 load frame with an oven and shown with tensile testing fixtures

樣品的幾何形狀和測試條件均符合 ASTM D6272-17 的要求 [4]。支撐跨距為 54 公厘，負載跨距為 18 公厘（圖 2），測試樣品長度為 100 公厘，足以懸掛於兩端支撐處。跨距內的試樣測試面未經加工，以避免傷害靠近表面的纖維。

單向試驗以每秒 0.03 公厘的位移速率進行，正弦循環疲勞負載試驗則在 10 Hz 的頻率下執行。所有疲勞實驗的執行都在力控制之下，R 比例為 0.1。對於高溫試驗，將烤爐從室溫加熱到 100 °C，在裝載試樣前保持 30 分鐘，並在整個試驗過程中保持穩定。單向試驗結果是用於確定疲勞試驗的最大應力值。疲勞試驗期間施加的最大應力範圍從彎曲強度的 25 至 95 %。

具有較大之最大應力聚集的四點彎曲試驗有助於減少由於複合材料局部缺陷引起的結果差異。兩個負載跨距（一個負載跨距為支撐跨距的三分之一）之間的最大應力和應變分別以公式 1 及 2 計算 [4]。

S=PL / bd2 (1)
ε = 4.7Dd / L2 (2)

其中 S 是整個負載跨距外纖維上的應力，P 是負載—位移曲線的某一點上的負載，
L 是支撐跨距，b 是樑的寬度，d 是樑的深度，ε 為外部纖維的最大應變，而 D 則是樑中心的最大位移。彎曲強度被定義為材料變形之前所承受的最大應力，彈性模數則是在彈性區域內應力與應變的比例。

Figure 2. Four-point bending test of Garolite composite rectangular bar in the oven of 3330 Load Frame.
Figure 2. Four-point bending test of Garolite composite rectangular bar in the oven of 3330 Load Frame.

結果與討論

單向四點彎曲試驗的實驗結果如圖 3 所示。G10 與 G11 複合材料在室溫 (RT) 和 100 °C 下的典型應力—應變回應如圖 3a 所示。在每種實驗條件下進行了三次重複試驗。所有重複試驗都呈現同樣的應力—應變曲線，實驗結果顯示不同樣本之間的變形行為一致。應力線性增加，直到達到最大強度，然後在變形後下降。

在室溫下，G11 複合材料的彎曲強度為 487.1 ± 9.9 MPa，高於 G10 的 409.0 ± 2.4 MPa（圖 3b）。儘管測試是在兩種複合材料的操作溫度範圍內進行，但是在較高溫的 100 °C 下，彎曲強度明顯下降。然而，G11 在維持結構強度方面的表現明顯較佳，保留了約 80% 的強度，而 G10 只保留了 68% 的強度。值得注意的是，在較高操作溫度下，這兩種複合材料的彎曲模數都下降，儘管實驗溫度仍低於供應商提供的最大操作溫度。雖然室溫下的實驗結果與供應商在表 1 提供的材料特性一致，但是在 100 °C 下（遠低於提供的最高操作溫度），兩種複合材料的結構強度皆有下降。

Figure 3. Four-point bending monotonic tests on G10 and G11 Garolite rectangular bars. (A) Representative stress-strain curve
Figure 3. Four-point bending monotonic tests on G10 and G11 Garolite rectangular bars. (A) Representative stress-strain curve
(B) average flexural strength and modulus of elasticity of G10 and G11 composites.
(B) average flexural strength and modulus of elasticity of G10 and G11 composites.

四點彎曲疲勞試驗是經由連續加載以累積複合材料系統內的損壞，然後評估在不同應力下的生命週期直到變形。最初的疲勞實驗是以從單向彎曲試驗的平均彎曲強度（比例限度）應力的 95% 來執行。為了確保在循環負載期間發生變形，使用比例限度應力的 25% 至 95% 不等的疲勞應力來執行試驗。考慮到負載比 0.1，與負載跨距接觸的試樣上表面承受壓應力，而與支撐跨距接觸的另一試樣表面則承受張應力。每個樣品的疲勞壽命是指達到最終變形所需的週期數。

圖 4 為每種複合材料在兩個不同溫度下，疲勞壽命（達到變形所需的週期數）與最大疲勞應力（S-N 曲線）的關係圖。S-N 曲線呈現了每種複合材料在不同溫度下的疲勞性能比較。結果顯示，所有情況下，隨著應力增加，達到變形所需的週期數減少。然而，在室溫下，G11 在疲勞壽命方面的表現明顯優於 G10。此外，G11 在連續操作溫度 100 °C 下保留了較高數量的疲勞壽命週期。例如，在 100 °C 下，若疲勞應力為 200 MPa，與室溫相比，G10 的疲勞壽命減少了 91%，而 G11 僅減少了 46%。即使在彎曲強度低至 25% 的應力下，所有樣本都在 2 百萬週期內產生變形，因此在較低應力的情況下需要更長時間的實驗才能充分地評估材料強度，尤其是在現實生活中循環負載可能超過 2 百萬週期的應用中。

Figure 4. S-N curves for fatigue four-point bending of Garolite A) G10
Figure 4. S-N curves for fatigue four-point bending of Garolite A) G10
B) G11 at two operating temperatures of RT and 100 °C.
B) G11 at two operating temperatures of RT and 100 °C.

結論

在 RT 和 100 °C 兩個不同溫度下，對 G10 和 G11 這兩種等級的 Garolite 複合材料進行單向的負載至變形及循環的疲勞至變形的四點彎曲疲勞試驗。在室溫下，G11 在彎曲強度方面的表現優於 G10，在 100 °C 下也維持較高的強度。即使將單向彎曲強度低至 25% 的應力，也會在 2 百萬週期內發生疲勞變形，但未觀察到疲勞極限。因此，需要更長時間的實驗來了解超過 2 百萬週期應用的疲勞極限。複合材料的疲勞壽命隨溫度升高而下降。在 100 °C 的較高操作溫度下，G11 在保持結構強度方面的表現明顯較佳。從四點彎曲試驗的結果看來，溫度對 Garolite 複合材料的彎曲強度和疲勞壽命具有顯著影響。實驗結果顯示，供應商在表 1 提供的規格可能不適用於所述的整個溫度範圍。因此，必須在不同操作溫度下測試材料，才能更瞭解材料性能。

未來展望

我們將發表另一篇應用說明，關於使用 DMA（動態機械分析）方法更全面地研究溫度對模數和黏彈性質的影響。DMA 提供更多關於玻璃轉變溫度以及接近和超出最大額定溫度的材料性質的見解。

參考資料

  1. Paradiso A, Mendoza I, Bellafato A, Lamberson L. Failure behavior of woven fiberglass composites under combined compressive and environmental loading. Journal of Composite Materials. 2020;54(4):519-533. doi:10.1177/0021998319878771
  2. Zhou F, Zhang J, Song S, Yang D, Wang C. Effect of Temperature on Material Properties of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Tendons: Experiments and Model Assessment. Materials (Basel). 2019;12(7):1025. Published 2019 Mar 28. doi:10.3390/ma12071025
  3. Rasheduzzaman, Mohammad, and M. N. Cavalli. “Failure Mode Transition in Fiber Composite Fatigue.” Fracture, Fatigue, Failure, and Damage Evolution, Volume 5. Springer, Cham, 2015. 165-172.
  4. ASTM D6272-17 (2017) Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials by Four-Point Bending. ASTM International, West Conshohocken.

致謝

本論文由 TA Instruments 應用支援科學家 Soheil Daryadel 博士撰寫。

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