清華大學材料科學工程學系學位論文
國立清華大學,正常發行
選擇卷期
已選擇0筆
- 學位論文
本實驗利用真空電弧熔煉法製備非等莫耳 Al-Cr-Nb-Si-Ta 高熵合 金靶材，再利用反應式直流磁控濺鍍法鍍製高熵金屬及氮化物薄膜， 研究不同氮氣流率及基板偏壓下對薄膜微結構及機械性質的影響。 此 外， 對不同氮氣流率及基板偏壓變量之薄膜進行大氣退火試驗以探討 薄膜之抗氧化性，並將擁有最佳硬度值與抗氧化性之薄膜進行真空退 火測試其高溫熱穩定性。更在 WC-Co 基板上先鍍覆不同金屬中間層 再鍍覆上最佳參數之高熵氮化膜，以求最佳附著力，最後以具最佳附 著力的 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化膜鍍覆於拋棄式三角銑刀上，進行 SKD11 模具鋼的切削測試。 實驗結果發現 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化物薄膜結構呈現單一 FCC 相 (B1-NaCl)。並改變不同參數變量後，於最佳製程條件下氮化膜擁有 最高硬度值及最佳抗氧化性，其中抗氧化性較本實驗室所研究過的系 統優異許多。且此氮化物薄膜亦具有優越的熱穩定性，在 1000 o C 兩 小時真空退火下仍未見分相，顯示高熵效應使單一 FCC 結構為穩定 相，此外，晶粒尺寸未有明顯粗化現象，因此使得薄膜硬度值仍維持 高硬度表現。 將高熵氮化膜與傳統四元(Al 40 Cr50 Si 10)N 薄膜作比較，高熵氮化 膜有晶粒細及緻密微結構之表現 ，且由於高熵薄膜具有緻密微結構及 高壓縮殘留應力，比(Al 40 Cr50 Si 10)N 薄膜硬度高出許多。但是亦發現 (Al 40 Cr50 Si 10)N 薄膜抗氧化性較高熵氮化膜好，可歸因組成元素 Al、 Cr 及 Si 皆為抗氧化元素，然而此膜有在高溫大氣退火後有表面龜裂 的現象，將不利於切削壽命。 在附著力方面 ，利用鍍覆中間層使高熵氮化膜與基板間具有最佳 附著力，並以此進行切削試驗，與 TiN 、TiAlN 及(Al 40 Cr50 Si 10)N 薄膜 比較，鍍覆 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化膜之切削性質優於(Al 40 Cr50 Si 10)N 薄 膜及商用 TiN 、 TiAlN 薄膜，因此可知即便(Al 40 Cr50 Si 10)N 擁有較佳的 抗氧化性 ，但由於在氧化過程中會在薄膜表面形成裂縫，確實對切削 性質帶來不良的影響，而高熵氮化膜由於具有較高的硬度值、抗氧化 性及熱穩定性且氧化後薄膜結構仍非常緻密等優越性質，因此擁有最 佳的耐切削能力。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
應用在下世代積體元件中的氣隙型內連接導線結構或3D封裝技術之一的矽穿孔皆需要擁有高機械強度，低電阻率的導線材料來支撐整體結構與維持低時間延遲(RC delay)。 最近研究指出奈米雙晶銅不僅擁有高機械強度與低電阻率，同時也具有抗電遷移的特性，因此被認為是下一世代積體元件中內連接導線的候選材料之一。 高密度雙晶結構藉由脈衝電鍍與低溫下高能量氬離子轟擊引入銅膜與銅奈米線中，其硬度與雙晶晶界間距存在著類似於Hall-Petch關係式一樣的關係，此外，藉由調配硫酸銅電鍍液中之氯離子濃度，本研究可以控制銅膜之晶體優選方向，隨著電鍍液中的氯離子濃度增加，在直流電鍍銅膜中，{110}之結晶方向呈現穩定增強，而在脈衝電鍍銅膜中，則在氯離子10−4 – 10−5體積莫耳濃度間呈現出{111}與{110}優選結晶方向之轉變。 基於不同晶面擁有不同交換電流密度與脈衝電鍍製程中的工作周期效應之物理機制來解釋為何奈米雙晶電鍍銅膜之優選結晶方向會受到電鍍液中氯離子濃度改變而轉變。在另外一方面，藉由陽極氧化鋁為模板，竹節狀奈米雙晶銅奈米線可以利用低溫下脈衝電鍍法製備。在脈衝電流密度為0.4 A/cm2下，雙晶晶界間距的平均值僅為14.6 奈米。高密度雙晶之形成機制可歸於為了釋放在電鍍過程中所引發之應力與在二維成長模型中，堆疊出錯所造成的。而此高密度雙晶銅奈米線可承受高達2.4 × 108 A/cm2 的電流密度。電遷移所造成的銅原子移動於雙晶晶界會被延遲，因此延長孔洞佔據整個奈米線所需要的時間進而提升其電流承受度。 對於利用離子轟擊所製備的奈米雙晶銅而言，雙晶晶界-差排與差排-差排間的交互作用都會對於其高硬度有不可忽視之貢獻。此外，離子轟擊所引發之機械性質強化區域可以延伸到轟擊面以下數百奈米。一個基於在離子轟擊過程中熱震(thermal spike)所引發之應力來解釋離子能量與轟擊溫度對於雙晶晶界形成的影響。由於擁有高的機械強度和良好的電流承受密度，奈米雙晶銅成為應用在先進奈微米元件中互連接導線的淺力材料之一。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
鋯基金屬玻璃薄膜具有良好的玻璃形成能力(GFA)、抗腐蝕以及生物相容性等獨特性質，在許多領域深具潛在的應用發展。利用濺鍍技術可鍍製超光滑表面之金屬玻璃薄膜，有利於對不鏽鋼製品上進行表面改質，並可進一步擴展到醫療器具等用途。在生醫領域的應用與微機電系統中薄膜是很常被使用的材料，因此提升金屬玻璃薄膜之機械性質及多功能性是必要的。 本實驗試以製程溫度控制，濺鍍具有抗菌效果之金屬玻璃薄膜於304不鏽鋼片上，探討基板溫度增加對於薄膜性質上的影響。由於濺鍍過程中具有非常快的冷卻速度而鋯基金屬玻璃具有優異的玻璃形成能力，在經由不同溫度下製程的薄膜，對於非晶質基底結構並無明顯影響，所有的薄膜表現出相似的結構和熱性質。藉由機械性質的量測，其硬度值和楊氏模數可提高到7.1 GPa及135 GPa，遠高於室溫製程時的4.7 GPa和109 GPa，可歸功於製程溫度增加所造成平均原子距離的縮短、短程有序原子團簇的增加與自由體積的減少。 另一方面，透過液態培養法及平板計數法進行金屬玻璃薄膜抗菌性能測試，參照日本工業標準(JIS standard)，在大腸桿菌及金黃葡萄球菌的檢驗中，其薄膜抗菌率高達99%。由於非晶質薄膜具有原子級平整表面、疏水性和釋放銅離子能力，結果顯示304不鏽鋼基材上披覆一層金屬玻璃薄膜時，其呈現顯著的抗菌能力，除此之外，金屬玻璃薄膜與細菌之間的相互作用現象也更進一步討論。故藉由製程溫度的控制對於薄膜機械性質上能有顯著的提升，同時具有良好的抗菌能力，期望藉由本研究可以將金屬玻璃薄膜進一步推廣至醫療器具的應用，同時也降低院內感染的可能性。
- 學位論文
本實驗結合原子力顯微術奈米微影及傳統黃光微影，製作單根金奈米線及鈦電極，成為電阻式單一奈米線感測器，並研究光與熱導致的奈米線表面分子脫附及伴隨的電阻下降。第一部份實驗，使用厚度為7 nm的金奈米線，表面披附十二烷硫醇分子，其飽和電阻上升為18.0%，再將其暴露在254 nm UV燈下，因硫醇分子氧化成烷基磺酸鹽類，並從奈米線表面脫附，使電阻由原本的18.0%降至2.5%，恢復程度約85%。由電阻下降的時間關係分析其脫附動力學，可知光氧化為一級反應，也發現脫附常數隨光強度上升而上升。 第二部份實驗，將奈米線直接加熱，發現其電阻隨溫度上升而下降，且在25至50 °C範圍內，電阻變化與溫度呈線性關係，此外電阻下降值也隨奈米線厚度減少而增加。在45 °C時，厚度為13 nm的金奈米線電阻變化為−11.5%，12 nm的電阻變化為−12.0%，而9 nm的電阻變化則為−13.0%。經線性擬合後，得到厚度為13 nm的奈米線電阻下降對溫度變化率為0.0058/°C，12 nm為0.0061/°C，9 nm則為0.0066/°C。 若以波長633 nm的17 mW氦氖雷射，在顯微鏡下聚焦至金奈米線上後，電阻由於電漿熱效應而下降，並觀察到厚度為9 nm的金奈米線電阻下降約為0.9%。此變化值遠小於電漿加熱效應，主要是由於基板的散熱使得奈米線溫度無法大幅上升。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
本研究以奈米型載子調制層研製深藍光及擬自然光有機發光二極體(organic light-emitting diodes, OLEDs)，探討載子調制層對OLED元件之影響。 在高效率深藍光OLED的研究方面，使用一螢光藍光材料2,7-bis-{2[phenyl(m-tolyl)amino]-9,9-dimethyl-fluorene-7-yl}-9,9-dimethylfluorene來製備，藉由載子調制層之數量、膜厚及位置的變化，提升元件之效率。在未使用任何載子調制層下，元件在亮度1,000 cd/m2下之能量效率為1.7 lm/W，CIE色座標為(0.143, 0.098)；當使用單層及雙層載子調制層後，能量效率由1.7提升至2.1及2.2 lm/W，元件最大亮度也由5,250提升至7,620及9,130 cd/m2，增加45%及74%。亮度之提升可歸因於載子調制層能有效地引導載子再結合於較廣的區域。此外，隨著載子調制層膜厚及位置的變化，元件之光色會有藍位移的現象。 在擬自然光OLED方面，使用六種可包圍黑體輻射曲線之色域的黑體輻射互補性染料，模擬元件光譜，並藉由雙載子調制層和多發光層元件結構設計，製備多波段擬自然光OLED。自然光在各色溫下皆呈現與黑體輻射相似之平滑且連續的光譜，一個好的人造自然光源應該直接與自然光做比較，因此，對於演色性是否為一個適當的評斷光源品質指標，則令人產生ㄧ些疑慮。為了取代演色性，本研究提出一個新的觀念指標-黑體輻射相似性，即光質應從人眼角度的亮度光譜直接與自然光比較來評斷，而非由機器偵測的能量光譜來量測。此一新指標的提出，可以解決傳統光源品質指標所遇到的困境。 本研究使用雙載子調制層製備出色溫2,000 K，演色性92，黑體輻射相似性92的超低色溫類夕陽光OLED。依光譜模擬的方法與元件結構設計，也可延伸應用至製作其他色溫之擬自然光OLED。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
本研究探討奈米碳/高分子複合材料之熱性質與電磁波屏蔽效能，研究中成功製備數種奈米碳材料做為補強材料，如單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、奈米石墨薄片、石墨烯與鍍金屬石墨烯等，並將其分別加入至白蠟與聚苯胺二種高分子基材中。 本論文一主題旨在探討添加奈米石墨薄片於白蠟中之熱傳導與熱性質分析，並比較奈米石墨薄片排列方向(有序排列及無序排列)之影響。研究結果顯示僅添加1.0 wt%的奈米石墨薄片即可在白蠟中形成一導通網絡，有助於此複合材料之熱傳導行為。本文中利用Maxwell-Euken與rule of mixtures 方程式預測無序與有序奈米石墨薄片排列之理論熱傳導值。實驗中證實此複合材料之熱傳導值與奈米石墨薄片之添加量呈正比關係，其有序與無序排列奈米石墨薄片添加量為5.0 wt%之熱傳導值分別為4.47±0.15 與1.68±0.07 W/m K，遠高於純白蠟之熱傳導值(0.33±0.04 W/mK)，兩組複合材料之熱傳導實驗值皆十分相近理論值。熱性質方面，複合材料之熔點與固、液相變化溫度分別近似於53與60 0C，此二溫度並不會因為添加不同含量的奈米石墨薄片而有明顯的變化。此複合材料之潛熱則與添加材料之含量呈反比關係，說明此複合材料在相變化時所需之能量較低，成為具相變化功能之高導熱複合材料。 本論文另一主題為探討聚苯胺複合材料於電磁波屏蔽效能之應用。本研究係分別添加不同比例(0.1、0.5、1.0 wt %)之單壁奈米碳管、奈米石墨薄片與奈米碳管/奈米石墨薄片三種補強材料於導電高分子聚苯胺製備複合材料，探討此類複合材料之微結構、表面形貌、導電值以及電磁波屏蔽效能。結果方面，添加1.0 wt %的奈米碳管/奈米石墨/聚苯胺複合材料之屏蔽效能可達27.0 dB，高於純聚苯胺的11.3 dB，導電值亦增加了五個數量值，是為本實驗之最高值。單比較奈米碳管與奈米石墨薄片之結果，由於兩種補強材料維度之差異，而後者具有較大的表面積更易於在基地材料中形成導電網絡，故添加奈米石墨薄片之導電值與屏蔽效能較佳。而本章中亦針對電磁波屏蔽之吸收與反射效果進行討論，証實吸收為此複合材料之主要機制。 為更進一步探討聚苯胺複合材料之電磁波屏蔽效能，本章分別以石墨烯與鍍金屬石墨烯(銀與鎳)做為補強材料，亦探討其微結構、表面形貌與導電性等性質，使用之補強材料添加量分別為0.5、1.0、3.0與5.0 wt%。實驗結果顯示，添加5.0 wt%的鍍銀石墨烯於聚苯胺時具有最佳之導電度與屏蔽效能，分別為20.32 S/cm與29.33 dB。經表面形貌分析後得知，所添加之補強材料能夠均勻地分散在聚苯胺基地中形成導電網絡，而覆鍍於石墨烯的銀與鎳顆粒亦擔任良好的導電媒介。分析結果顯示吸收仍是此聚苯胺複合材料之主要屏蔽機制，其主因為較高的介電常數所致。經比較後，認為鍍銀石墨烯/聚苯胺複合材料所具有之屏蔽效果幾乎符合業界標準，此類複合材料日後極具發展潛力。 為發展一低成本、製程簡要與使用方便之電磁波屏蔽材料，本章研究中使用一簡要之浸鍍方法製備具電磁波屏蔽效果之多孔複合材料。研究中使用市售海綿做為研究對象，藉由浸鍍製程將奈米碳材料(石墨烯、多壁奈米碳管、石墨烯/多壁奈米碳管)吸附於海綿纖維上形成導電網絡，並比較於吸附奈米碳材前有無鍍覆銀奈米顆粒對電磁波屏蔽效能之影響。研究結果顯示，未先鍍覆銀顆粒之電磁波屏蔽效能大約在14 dB左右，其值不因所吸附碳材料之不同而有明顯改變，但屏蔽值在先行鍍覆銀顆粒後卻有很明顯的提升，研究中之最高值為24.33 dB。經分析後，可知此海綿複合材料之電磁波屏蔽機制係以反射為主，推測係由海綿本身的多孔結構所致。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
本研究有鑑於Al-Co-Cr-Cu-Fe-Ni高熵合金系統中Cu元素大量偏析於樹枝間相且降低合金高溫強度的缺點，乃針對不含Cu的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金系統作研究。由於Al與過渡元素有較強的鍵結，對微結構及機械性質有明顯的影響，故本研究改變合金系統中的Al含量，以探討Al元素對AlxCoCrFeNi高熵合金系統微結構與機械性質的影響，同時藉由高溫XRD、DSC熱分析與SEM及TEM相鑑定，研究合金高溫相變化機制，並繪製AlxCoCrFeNi高熵合金系統之相圖。此外，本研究利用高溫硬度機對此合金系統在高溫下的變形行為加以探討。 常溫下鑄態之AlxCoCrFeNi合金隨Al元素之添加，晶體結構會由FCC轉為FCC＋BCC再轉為BCC。BCC結構的形成為合金硬化之主要因素。鑄態合金中之BCC相會藉由spinodal分解機構形成奈米級雙相結構。其中Al0.9CoCrFeNi合金具有最細的雙相微結構，使其具有最高硬度Hv 527。由化學成份分析顯示形成單相FCC結構之固溶體，合金中Al含量需低於11 at.%，而要形成單相BCC結構之固溶體，合金中Al含量至少高於18.4 at.%。 AlxCoCrFeNi合金巨觀凝固組織隨Al添加量增加，由平面成長之晶粒結構轉變成柱狀之胞狀結構，再轉變成柱狀之樹枝狀結構，然後再轉變成具有針片狀組織的等軸晶粒結構、樹枝狀之等軸晶粒結構，此係由於Al含量增加，造成CoCrFeNi合金凝固時固液界面前緣液相之溫度梯度降低或組成過冷度增加所致。 Al0–Al0.3 (FCC), Al0.5–Al0.7 (FCC＋BCC) and Al1.5–Al1.8 (BCC)合金從室溫到熔點均保持相同的晶體結構。Al0.9–Al1.2合金在870 K以下為spinodal BCC+B2結構，約870 K會發生BCC轉變成FCC之相變化，然後約在927 K析出σ相並與富Fe、Cr的FCC相連接。σ相的溶解溫度約為1235 K，1235 K 以上為B2＋FCC 雙相結構。 AlxCoCrFeNi合金的高溫硬度轉換溫度（TT）範圍為810–930 K，Al0.5合金呈現最高的TT/Tm值。高於TT溫度的高溫區間，Al0–Al0.3合金具有最低的軟化係數，而Al0.9及Al1.0合金則具有最大的軟化係數，不過在973–1073 K溫度區間，這兩組合金會因σ相的析出而再硬化。 由壓痕潛變試驗顯示，具有FCC單相的Al0.3合金主要變形機構為差排滑移，對於x ≥ 0.5的合金系統，在低於高溫硬度轉換溫度的低溫區間，合金的主要變形機構為差排滑移，而在高於高溫硬度轉換溫度的高溫區間，合金的主要變形機構為差排滑移與爬移（潛變）。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
Incoloy800H之超合金板料在市場上佔有率大，主要應用在石化系統的管件、熱交換器、加熱爐內部組件、鍋爐及壓力容器 [1]，也是未來第五代核電廠選用的材料之ㄧ [2]。近年來鈦、鎳、銅等超合金元素之價格高漲，欲致力於降低原料成本可藉由合金設計與在不改變成分的狀態下利用晶界工程來開發高經濟效益的合金[3]。Incoloy800H為沃斯田鐵系固溶強化型之超合金，成分組成以鐵-鎳-鉻為主，其他元素的添加如銅、矽、錳、鋁、鈦、碳，因此材料組織含有碳化鉻、碳化鈦 [4]。晶界工程, Grain boundary engineering (GBE)為將原始晶界的型態或本質改良已達到強化晶界之功法，藉由熱機處理來控制Grain boundary character distribution (GBCD)以及製造出高比率的特殊晶界 (special boundary) [5]，特殊晶界具有相對低的晶界能[6]，使得沿晶破裂、氧化、腐蝕、偏析的可能性降低 [7-15]，同時增進多晶材料中延性破裂強度。晶界工程特別適合低疊差能的金屬材料，如銅、鎳等等，故800H非常適合利用GBE來提升合金效能。特殊晶界，尤其是Σ3的晶界能為最低 [16]，最有利於晶界之改質，但熱機處理後，產生之Σ3多為退火雙晶，此雙晶界包含在晶粒內，對晶粒間晶界無貢獻，故須藉由多道次的熱機處理使Σ3反應生成非雙晶型之Σ3。除了提升特殊晶界量外，其特殊晶界之分佈位置亦為一重點，晶界交叉之Triple Junctions上可能產生零至三個特殊晶界，分別標為J0、J1、J2、J3(圖 1)，若產生最多量的J2，將有助於各項合金性質的提升 [17]。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。