奈米複合材料應用於自行車產業上，主要是結合微尺度高分子配方技術開發、改良塗佈技術與預浸材料技術等技術，建立輕量化高分子複合材料的技術開發及應用，其技術內容包括：奈米粉體改質技術、奈米粉體分散技術、微尺度高分子配方技術、微尺度高分子塗佈技術、輕量化預浸材料含浸技術。高分子纖維複合材料相關產品為滿足人類在輕量化、高強度及高設計自由度等要求下，結合各種功能特性及用途於輕量化的各種結構物用品中，已是現今必然的發展趨勢。這些需求於科技發展中，除了使各種結構物用品更加輕薄化外，在功能特性的提升以及功能種類的增加方面，有更顯著的進展。
碳纖維奈米複合材料具有質輕、高強度、高剛性及高韌性等眾多優點，因此被廣泛地應用於各種結構物，如飛機、船舶、汽車及運動器材用品等，而利用奈米複合材料之碳纖維奈米預浸材料由於質輕及高強度，可減少運動器材用品的重量及提高設計自由度，使得碳纖維奈米複合材料之強度能夠發揮出來，進而減少材料之用量以降低成本，因此已成為國外先進國家積極投入研發之領域。
近幾年來，國際上（美、歐、日等先進國家）有關奈米材料及奈米技術應用於複合材料之研究，已經投入大量的人力、物力及時間以積極發展，而國內目前複合材料之產品，無論品質與成本在國際上均有極強的競爭優勢，擴展奈米複材應用之新技術，將有助於複材產業之多方面發展。加上國內目前投入奈米複材研發之利基有以下各點：1.國內已開發完成運動器材用品之碳纖維複材系統，並已廣為自行車及高爾夫球產業使用，未來如能結合奈米材料及奈米技術之研究，將有利複合材料之長期發展。2.發展質輕、高強度、高剛性及高韌性之奈米複合材料為未來趨勢，可提高產品的品質及安全性，正符合此一趨勢需求。因此積極地投入奈米複合材料與輕量化之運動產品之研發，並藉由配合國際合作進行技術交流，以建立本土化的奈米複合材料技術乃是國內產業界努力的方向，其包括材料、製程、設計、分析及測試驗證等相關技術開發及應用能力。
各類相關的奈米複合材料
現階段投入在碳纖維複材系統之應用研究上有三種複材組成，包括高分子/ 黏土奈米複合材料、高分子/ 奈米碳管複合材料、高分子/ 二氧化矽粒子奈米複合材料，其各類著重的性質各不相同，說明如下。
1. 高分子/ 黏土奈米複合材料(Polymer/Clay Nanocomposites)
此奈米複合材料所使用的混合物以片狀的黏土(Clay)之矽酸鹽層材為主，黏土的種類眾多，較常見的有Smectite 、Mica 、Vermiculite 、Brittle Mica等，其中又以Smectite Clay 之Montmorillonite最常被採用。此類型的複料功能著重在阻礙構材內部之微破壞成長，亦即裂紋抑制(Crack Pinning)及剪切降伏(Shear Yielding)，而一個組件內部之微破壞累積過多時就會造成此構件破壞。當一微破壞（裂）點因外力產生時，此一微破壞點即存在，而隨著此構件不停因運動且受外力不斷施加時，其微破壞點則會持續成長，破壞裂口隨之延伸；如此微破壞點發生在此黏土型之奈米複合材料內時，其微破壞之裂口成長則會受到抑制，裂口延伸一旦遇到基材內的矽酸鹽層即會被阻礙而停止成長。
另外，此高分子/ 黏土奈米複合材料對於自然環境中的風化亦有阻抗的功能，自然界中對於材料的風化因素有紫外線等短波長光線的照射、氧氣的氧化作用、工業化社會所產生的酸鹼性物質之侵蝕等，其利用為此類型的阻氣體分子的特性，如圖三所示。此高分子/ 黏土奈米複合材料材料同時兼具阻礙內部之微破壞成長與延緩基材風化之特性，具有可延長使用壽命的優點與優勢。
圖三、阻礙氣體分子穿透比較圖
2. 高分子/ 奈米碳管複合材料(Polymer / CNT Nanocomposites)
此奈米複合材料所使用的混合物以管狀的奈米碳管(Carbon Nanotube)為主（如圖四所示），早在1985 年Kroto 等人即意外發現C60的存在而提出了足球模型，此發現對碳化合物的研究有著重大突破，但當時對於C60 的特性與其應用發展並不清楚，直到1991 年Iijim(4)提出奈米碳管的概念後，才促使此領域有積極的研究與開發。碳管內徑可從0.4~ 數十nm ，碳管外徑則由1 ~ 數百nm ，長度則在數微米至數十微米間，可由單層或多層的石墨層捲曲形成中空管柱狀結構，形成的中空管柱狀結構主要可分為單層(Single-Wall)奈米碳管與多層(Multi-Wall)奈米碳管兩類，如圖五所示。
圖五、單層碳管
此類型的複料功能著重在機械強度與阻尼系數的提升（如表二所示），其無論
是以單層奈米碳管或多層奈米碳管之楊氏係數與拉伸強度均會比現有的傳統材料高很多，由許多文獻中指出，其優點是添加量於0.5~1wt% 即可表現出此奈米複合材料之機械強度特性，但缺點是奈米碳管的單價太高，尤以單層奈米碳管的單價會是多層奈米碳管的數十倍以上，所以除了高單價的產品可以使用外，其他民生應用端的產品僅會勉強採用多層奈米碳管。此外，此奈米碳管類型之奈米複合材料，所使用的奈米碳管之表面有必要去改質接枝上官能基，大部份可量產的改質方式均採用酸洗反應，其缺點是碳管捲面上的共軛結構被破壞的程度不一，嚴重破壞時其奈米碳管會產生過多的缺陷點甚至斷裂，則其應有的機械強度反而無法表現出，所以尋求一個可量產且不會造成過多破壞的接枝改質方式是目前所面對的課題。
3. 高分子/ 二氧化矽粒子奈米複合材料(Polymer/SiO2 Nanocomposites)
此類型的製備是採用溶膠凝膠法(Sol-Gel Process)，其反應特性是一種在低溫程序下之無機高分子聚合反應，最早是在十九世紀中期， Ebelmen和Graham兩人即開始研究溶膠− 凝膠過程，所使用的單體是四乙氧烷基(Tetraethoxysilane; TEOS)在酸性條件下水解成二氧化矽(SiO2)之玻璃材料。到了1950~1960 年代， Roy 和其同仁發現利用溶膠凝膠的方法可將Al 、Si 、Ti 、Zr等合成新一代的陶瓷複合材料，且在凝膠形成時能達到高層次的化學均勻度，而使用傳統的陶瓷粉末則無法達到。在相同時期， Iler發現用鋁做觸媒水解TEOS 能控制其形態和粉末大小，而產生一商品名稱為“Stober” 的圓形矽粉末，其圓形矽粉末最終的大小與水和鋁的起始濃度、矽烷基氧化物的形式、混合時所用的醇類及反應時間有關。
以此溶膠凝膠反應所製備之複合材料其優點有：1.原料具有高純度。2.大部分的前趨物(Precursor)為液體且反應溫度低，大部分反應在200°C 下皆可進行。3.屬分子級混合，非一般的物理混摻，故不易有相分離(Phase Separation)的現象產生。4.大部分的產物為均質(Homogeneous)的透明材質，光學性質佳，適合用於新型光學材料的應用。5.可控制有機分子與無機分子的含量而進一步控制材料的特性，使材料同時兼具有機高分子與無機氧化物的特性。6.補足傳統無機玻璃的多孔率因反應溫度太高導致加工之困難性。此類型的奈米複合材料優點在於單價便宜，且其奈米本身粒子具有高純度且對微相分離的情況可以盡量避免，所以在以均一相為目標之奈米複合材料的使用上常被採用，所著重在複料功能為機械強度的增強上與必須強調光學性質之構件上；而此類型的奈米粒子的表面接枝較容易被控制，可針對不同種高分子材之對應端官能基進行改質修飾，如圖八所示。
圖八、二氧化矽粒子表面官能基之化學修飾示意圖
奈米複合材料之機械性質解析
目前投入在產業上使用的高階纖維複合材料系統，分別為高分子/ 黏土奈米複合材料與高分子/ 二氧化矽粒子奈米複合材料二種，其亦著重於機械性質功能上的應用先就前項加以說明。
1. 高分子/ 黏土奈米複合材料對於機械性質之提升
為了證明有機黏土所帶來的影響，分別以三種不同比重含量的有機黏土，先經由機械攪拌後輔以超音波強力震盪使其均勻散布在環氧樹脂當中，再利用手工積層步驟將混合好的基材塗佈於同向性的玻璃纖維布上，形成玻璃纖維/ 環氧樹脂奈米複合材料板材，以供實驗測試。
(1) 大型萬能拉伸試驗機在試片的纖維方向、側向纖維方向及10 度施力進行拉伸測試其測得了纖維方向、纖維側向方向及偏軸10 度方向的強度情形，其中除了在纖維方向的強度趨勢有些許下降之外，其他兩個實驗在有添加有機黏土進入複合材料中的情形都有所改進，並藉由SEM 照片可以輔助得知有機黏土可以使樹脂結塊黏著於脫層之纖維，而且隨著含量的增加其黏附的情形更加明顯，由此可以證明有機黏土的確可以加強纖維與樹脂界面上的強度。
(2) 三點式彎曲試驗以獲得複合材料的彎曲機械特性從同向性玻璃纖維/ 環氧樹脂複合材料的彎曲實驗中，可以發現兩個實驗結果與拉伸實驗的結果十分相似。在纖維方向的實驗因為纖維本身強度太高而使有機黏土的增強效果可以被忽略，但是在纖維側向方向，試片的強度已不再是由纖維主導，而是轉移至纖維與樹脂之間界面來承受，這時有機黏土在界面上使樹脂易黏附於纖維的優點就可以清楚展現，並且不論在簡單拉伸實驗或三點式彎曲實驗當中，隨著添加比例的不同都可以見其明顯的成長優勢，在有機黏土含量7.5% 時都能有50% 以上的增益。
(3) 多重方向性複合材料板材之機械行為，以正負45 度拉伸剪力試驗為例纖維材料的特點為具有方向性，沿纖維方向的機械強度會是最強，反之纖維側向方向為最弱。也因為此特點的緣故，同向性的複合材料就會在纖維的側向方向最不易承受應力，這在應用上會是一大問題。所以在纖維方向的製作上，必須利用多方向性的積層方法，以在不同方向的纖維來補強在某特定方向上特別脆弱的缺點。此實驗即為在多重方向性的玻璃纖維/ 環氧樹脂複合材料上添加有機黏土，觀察不同有機黏土含量之試片是否會產生不同之強度。
無論是以矽酸鹽層材、二氧化矽粒子、奈米碳管或是其他種類的奈米粒子，只要分散程度在奈米級尺寸之情況下，並儘可能使基材與添加粒子間形成化學鍵結，多可解決傳統上的微相分離之窘境，此對複合材料之裂紋抑制及裂紋鈍化的增益效果，大幅地增加裂紋偏折(Crack Deflection)路徑使破壞表面積增加，而增加其機械性質之提升效益，所以在高分子基材中添加奈米粒子以增益物理及化學性質，已是複合材料界研究的主要方向。傳統的複合材料經由上述技術的開發改良，不僅可使傳統的複合材料產業得以藉由奈米技術而帶來新的功能效益，在功能特性的提升及功能種類的增加方面更有顯著的進步，同時更可提高產品的品質安全性與新的競爭優勢。
作者：工研院材化所 / 劉時州
★本文節錄自「工業材料雜誌259期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7031