臺北科技大學機電整合研究所學位論文
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蒸汽產生器（Steam Generator，S/G）是壓水式核電廠的主要設備之一，每只S/G內部之熱交換管束由5,000根以上細管組成，每根細管之管壁僅0.040吋作為阻隔核能與非核能之壓力邊界。S/G出口之蒸汽管路延伸至汽輪機作功，之後至冷凝器凝結，再由飼水管路經由加熱器加熱後以飼水泵加壓進入S/G二次側形成循環迴路。 整體路徑與設備皆為碳鋼材質，在高速流量、高溫、高壓狀態下長期運轉。管路內表面之細微腐冲蝕生成金屬粉末，進入S/G底部，累積在管板（Tube Sheet），其結果將造成晶間應力腐蝕龜裂(Intergranular Stress Corrosion Cracking, IGSCC)且積垢由軟而硬，漸而擴及整體管束，長期累積在S/G細管外部之管垢，嚴重影響熱交換功能。 從1980年後業界積極投入清洗方法之研究，從手動機械式管底板清洗、自動管間隙機械式、管束大流量沖洗、氣體脈衝、高濃度化學清洗、移除方法由機械式進而化學軟化，到化學混合氣體清洗。 本研究即在探討使用低濃度EDTA化學藥劑及輔劑之配比調和在濃度、時間、溫度、酸鹼度、混合氣體在不同的結構材料中經由溶液的腐蝕試驗取得精確的數據，並應用於實際清洗以驗證清洗方法之可行性，取代其他機械式清洗以及高濃度化學(有損壞性)之清洗方法，且可經由調整配比，進行預防性、防止積垢存留的清洗技術。
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本研究運用形狀記憶材料(shape memory material)製作混成材料(hybrid composite)之可調變吸振器(tunable vibration absorber)，量測混成吸振器在不同控制溫度下之動態頻率響應特性。將混成吸振器加裝在一懸臂樑之動態結構系統上，以回饋控制方式利用增益調變(gain scheduling)控制混成吸振器之特徵頻率，並降低結構系統在單一固定頻率下激振之振幅。本研究中，利用四條超彈性合金(Superelastic Alloys, SE)線，外套三層形狀記憶高分子聚合物(Shape Memory Polymer, SMP)套管，構成混成吸振器之彈簧元件，並利用DC電源供應器加熱，使混成吸振器自然頻率與阻尼，可由外加電流調變與控制。系統實測結果顯示，可從室溫加熱至92℃，混成吸振器之可調頻率範圍約為45％，而理論計算之結構系統與吸振器之自然頻率與實驗量測數值最大誤差約為12％以內。將混成吸振器安裝在結構系統上，在單一固定外激頻率與調變不同外激頻率情況下，運用增益調變控制策略，可有效使結構系統振幅降低；但當外激頻率在14Hz至19Hz之間調變時，產生不同頻率之振動控制效果有隨頻率變化而稍有起伏。最後，運用模糊控制策略，將增益控制之規則進行平滑化與修正，在實驗調變驗證過程中，明顯展示模糊控制可使系統振幅保持在較低振幅，達到不同外激頻率下結構系統更佳之減振效果。
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本論文主要是對於染料敏化太陽能電池（Dye-Sensitized Solar Cells）光陽極薄膜與陽極處理之製備方法、結構與特性分析、電化學阻抗(EIS)探討。以陽極處理法在鈦板上製備出內管徑176.4nm、厚度20nm及長度為17.08μm且具穩定性高、管徑一致性及高純度的陣列式二氧化鈦奈米管，以作為背向光照射與正向光照射光陽極的薄膜。光陽極均需經由450 °C 之煅燒處理，以改善薄膜之緻密性。此外，電解液採用以I-/I3-體系之液態電解液，染料則使用釕錯合物N719染料；而對電極薄膜則以濺鍍法在FTO 玻璃上塗佈一層25 nm 之Pt薄膜。最後，將各電極如三明治方式組裝，來完成敏化染料太陽能電池之製備。接著檢測此DSSC的短路電流、開路電壓、填充因子、IPCE(入射光子-電子轉換效率)及光電轉換效率，並以進一步以電化學阻抗及奈氏圖分析各個元件之間的電子傳輸特性，包括電子再結合速率常數、電子壽命、電子再結合的電荷傳導電阻、有效電子擴散係數、電子在TiO2中的傳導電阻以及電子擴散長度等，並進一步分析多層光陽極與電解質、對電極之電子傳輸特性及關連性，以及對光電轉換效率的影響。 結果顯示以背向照光之陽極處理法製備二氧化鈦管最佳製程參數為NH4F 0.75 wt% + DI 1 wt% + EG 99 wt% 陽極處理反應5小時之二氧化鈦管的管長為17.08μm，管內徑為176.4nm，而單層光陽極之光電轉換效率η(%)為0.841％、有效電子擴散係數 Deff (effective electron diffusion coefficient)為2.30×10-5(cm2/s)、電子擴散長度 Ln (electron diffusion length)為53.44(μm)。 以背向照光之雙層光陽極(AOTnt- TiO2 film)與單層光陽極(AOTnt film)的有效電子擴散係數Deff值，其值為8.25×10-5 cm2/s、4.13×10-5 cm2/s，電子擴散長度Ln 值，分別為62.54 μm、33.23μm，光電轉換效率η(%)分別為1.44%、0.70%，其厚度(LF)分別為37.0μm、17.08 μm。 以正向照光之三層光陽極(AOTnt-Tnt550-TiO2/SWCNT film)染料敏化太陽能電池之光電轉換效率η(%)為5.42%，比起雙層光陽極(AOTnt-Tnt550 film)為4.97%、單層光陽極(AOTnt film)為1.17%之光電轉換效率η(%)較高。電子擴散係數 Deff (effective electron diffusion coefficient)，其值分別為5.86×10-5 cm2/s、1.03×10-5 cm2/s、4.39×10-8 cm2/s。電子擴散長度Ln (electron diffusion length)，分別為58.1μm、22.2μm、1.44μm，其厚度(LF)分別為50.1μm、19.8 μm、1.02 μm。
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鎳鈦合金又稱形狀記憶合金(簡稱SMA)，此材料特有的形狀記憶效應，可藉由表面之局部塑性變形產生，具有多方應用之潛力。此種具有形狀記憶之表面構形，可以利用類似如勃氏硬度計球面壓痕器壓痕方式，在SMA材料表面產生殘留應力場，而與利用材料之麻田散體-沃斯田體相變化產生相互影響，使SMA材料表面具有形貌不同之效果。本研究主要探討如何實行SMA材料之拉伸試驗，同時取出不同溫度下的之力學參數，然後將所得其參數建構至有限元素分析軟體ABAQUS內，進行非線性之接觸分析，瞭解接觸壓痕之應力、應變分佈情形，並與實驗之壓痕量測做比對，以探討模擬與實驗兩者之間的關係。 研究主要分為取得材料參數、模擬與實驗三個部分。重要結果如下：(1)此NiTi合金線材在從低溫相(麻田散體)轉換至高溫相(沃斯田體)時，楊氏係數、降伏應力點及回復量會隨著溫度的提升，皆具有明顯的改變。(2)在不同的相狀態下SMA材料：以相變化溫度As、Af為界，可將相狀態分為三區段，在各區段中之降伏應力點會等比例的成長，即以固定斜率成長，且在各相狀態中卸載力量後回復情形是非常近似的。 (3)利用各個溫度下不同的應力-應變參數進行接觸性分析，了解其壓痕施力時之應力及應變分佈關係，適當調整施力於表面的力量，即可達預想要的深度，甚至是應力影響的範圍。(4)以本實驗參數造成的應力場，經過加熱的相轉換，其壓痕回復效果將近完全回復至平坦，相同的效果也可以從平坦表面，利用殘留應力加熱變成近似相同高度凸起的表面。欲造成SMA表面形貌的改變，可於SMA材料表面製造應力場，利用高低溫之間的相轉換，達到理想的起伏效果。
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類鑽石薄膜在許多應用上為最佳的材料，主要是其本身具備高的硬度、高光穿透、高電阻抗、化學惰性及低摩擦係數。此外，上述所提及之類鑽石薄膜特性可經由元素的摻雜達到提升的效果，尤其是生物相容性與血液相容性之優異表現。 在本論文之研究以R.F.非平衡磁控濺鍍系統於矽基板上沉積類鑽石薄膜與含氮類鑽石薄膜。製程中討論R.F.功率、工作壓力、沉積時間及氮氣濃度等參數對薄膜內sp3/sp2比例之調控，並且從研究中發現薄膜之表面微結構、粗糙度、潤濕性、ID/IG比值、化學惰性及生物相容性均明顯受到影響。 觀察中發現氮氣的摻雜明顯提高薄膜表面粗糙度(RMS 0.378 nm ~ 2.679 nm) 、潤濕性(接觸角 84.04° ~ 44.58°)、與基板附著力(薄膜破壞韌性2.19 MPa√m )、腐蝕阻抗(於0.6 M氯化鈉溶液之腐蝕電流密度為3.14×10-6 A/cm2；於仿人體體液的HBSS溶液之腐蝕電流密度為2.93×10-8 A/cm2)及生物相容性。以MTT測試Si基板、白金薄膜、類鑽石薄膜與含氮類鑽石薄膜對L929細胞是否產生毒性，其結果顯示類鑽石薄膜與含氮類鑽石薄膜均有較低的毒性產生，其中以生物相容性較高之含氮類鑽石薄膜具有更低之細胞毒性。在體外培養L929細胞與MG63細胞1天與3天，以氮氣濃度5 %所沉積之類鑽石薄膜具有最多的細胞數量。
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本論文使用自組裝之微波電漿噴射化學氣相沉積系統配合自行設計的升降載台，來合成平滑且低粗糙度之大面積奈米鑽石薄膜，並於此真空系統內利用機械運動引入的方式，將馬達直線及旋轉運動導入系統內，再利用速度控制往復行程以得到均勻之奈米鑽石薄膜。而本真空系統之往復式載台能以動態方式成長大面積奈米鑽石薄膜鍍膜，並利用微電腦單晶片89S51作為主控器，搭配CNY70光耦合感測器調整馬達之轉速，並以此真空系統之移動載台，探討合成大面積奈米鑽石薄膜各區域之變化形式。 本論文首先使用超音波震盪法混合奈米鑽石粉末以及金屬粉末（Ti、Al）以促進鑽石薄膜的成核，以降低合成奈米鑽石膜之表面粗糙度。結果顯示，在不同金屬粉末混合鑽石粉末溶液所做之前處理，能有效的提高鑽石薄膜的成核密度以及降低表面粗糙度TiD(~13 nm) < AlD(~15 nm) < DP(~17 nm)。 由研究結果顯示在較低基材移動轉速（48 rpm）下，其厚度最厚。而利用不同區域不同轉速控制往復式載台可縮小其鍍膜所造成厚度不均差距（48 rpm + 72 rpm、48 rpm + 96 rpm），最後利用不同轉速加上時間延遲（48 rpm + 5秒延遲、48 rpm + 10秒延遲）可得到大面積奈米鑽石膜之均勻厚度。
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奈米球微影術，乃是利用自組裝之方式，在基板上堆疊出六方緊密週期排列奈米球，其可以把奈米球當作類似光阻之遮罩功能，並可藉由選擇奈米球大小來控制其週期尺寸。本研究藉由奈米球微影術之方式，首先在矽晶圓（100）上以旋轉塗佈法堆疊出大面積緊密排列的單層奈米球陣列，再以RF磁控濺鍍法沉積類鑽碳(DLC)膜，以形成二維類鑽碳(2-D DLC)薄膜陣列，此類鑽碳膜陣列經潤濕特性測量，可得最高接觸角為118.63°，相較於未鍍膜之接觸角46.41°，提升了155.6％，明顯提高了疏水特性。緊接著，以反射光譜儀探討類鑽碳膜陣列之光學特性，在可見光波段皆有抗反射效果，其反射率由原本的40~50％下降至1％左右，有效地降低其反射率，可應用在抗反射膜之製作。而在三維光子晶體方面，本研究利用DLC膜成功地製作三維反蛋白石光子晶體結構，並探討三維DLC膜結構反射率與光子能隙(PBG)之現象，發現此三維結構有光學濾波效果，可應用於光學濾光片與光學元件上。最後，將利用奈米球微影技術，經反應式離子蝕刻機(RIE)蝕刻不同粒徑奈米球，控制其Ar/CF4/O2混合氣體流量比例5/5/5 sccm，成功地製作出奈米矽圓柱(Nanocolumns)與奈米矽圓錐(Nanocones)陣列，可應用於太陽能電池、場發射顯示器、場效電晶體與光學元件上。
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本論文研究係利用串級加速器的前級加速段 40 kV將硼離子佈植於氧化鋅（Zinc Oxide）薄膜來研究其特性結構之影響。所選用硼離子的佈值能量為40 keV ，以5×1013 (ions/cm2)的劑量佈植於矽基材以及玻璃基材上的氧化鋅薄膜。分別以X-ray繞射晶體結構分析儀做結晶面向分析、二次離子質譜儀來分析佈植硼離子的縱向深度、原子力顯微鏡做表面粗糙度與型態分析。藉以探討氧化鋅薄膜經硼離子佈值後對於氧化鋅表面形貌、C軸優選取向、texture、grain size等的影響 由實驗的結果得知，以40 keV 硼離子佈值在矽基材上或玻璃基材上的氧化鋅薄膜，經XRD的量測發現其主晶軸（002）半高寬有變小的趨勢，顯示其結晶性有變佳的趨勢；而由AFM的檢測發現薄膜表面的粗糙度在佈植處理後較為平滑。由SIMS分析了解硼離子佈值後的縱向深度，佈植的硼離子分佈在表面下約0.19μm，佈植深度與由電腦模擬估算的結果相當一致。由此得知氧化鋅經硼離子佈值後的特性影響，可做為未來在開發氧化鋅的製程上的改良或運用，進而改進其特性來發展新的運用領域。
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現今人們對於健康保健越來越重視，且目前功能性鞋墊的使用者越來越多，對於快速客製化鞋墊之需求，現有技術都無法滿足，因此有開發新製程的必要。如何開發一種快速客製化鞋墊製程，使顧客可在最短的時間取得為其量身訂做的鞋墊，將會有市場的前景。 有別於目前傳統客製化鞋墊製造技術，本研究主旨分為『量測與鞋墊設計』與『製程設備與製造』兩部份，在量測與鞋墊設計方面，藉由量測足形以及足壓資料，來進行鞋墊設計，其足形資料用來建構鞋墊上表面曲面，希望將鞋墊上表面完全接觸足底，達到良好支撐效果，而足壓資料用來建構鞋墊底部特徵，調整鞋墊的軟硬度，可使壓力分散，而在製程設備與製造方面，以結合NC加工技術與真空熱壓成型技術為目的，整合三軸雕刻機與真空壓力平台作為製程設備，其製程步驟是利用NC技術加工石膏母模，再將熱塑性發泡材料加溫超過至熱變形溫度，至於石膏母模上抽真空使鞋墊材料完全貼合於母模上，等待其降溫至熱變形溫度以下，便可繼續NC加工鞋墊底面特徵，而完成客製化鞋墊。 本研究成果除了針對成品外形與CAD圖檔作大小比較，驗證其加工可行性與準確性，並分別以不放入鞋墊、放入無軟硬度調整孔鞋墊及放入完整客製化鞋墊的方式，量測出足底壓力行為，其結果顯示完全接觸足底的鞋墊上表面曲面，有效的分散其壓力分佈，而再加上軟硬度調整孔的結構，其效果更加明顯。
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史都華平台是最常見的動感模擬平台，但由於其機構限制了工作空間，無法直接產生駕駛載具時持續的真實動態，故一般多以沖淡濾波器演算法作為史都華平台模擬動感的方法。 本研究深入探討沖淡濾波器演算法作為動感法則的需求與表現，並提出創新的適應性沖淡濾波器演算法，期望利用此演算法搭配自製的數位平台控制器，使得史都華平台表現出的運動動態更符合人體感知。 由於傳統的沖淡濾波器是線性的，平台的運動量與命令幅度成正比，因此命令幅度越大時平台越容易達到臨界空間。本研究以傳統沖淡濾波器演算法為基礎，加入適應性調變機制，根據平台不同的位移量即時調變沖淡濾波器的轉折頻率，以便讓平台於工作空間及動態命令間取得平衡。 在實驗部分，本研究除了使用步階及掃頻訊號測試各種沖淡濾波器的表現外，並利用虛擬實境軟體Virtools內部的物理模型計算模擬汽車於市區行駛時的各種駕車動態，透過史都華平台搭配適應性沖淡濾波器呈現，以驗證本研究的可行性。