中央大學機械工程學系學位論文
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本研究利用鈉離子電池與鋰離子電池質傳機制的共通點，建立一維等溫鈉離子電池模型、二維等溫鈉離子電池模型及二維熱與電化學耦合鈉離子電池模型，並從以往文獻的實驗參數範圍做各項物理性質的參數測試，探討各項參數在各模型下對於鈉離子電池定電流放電下的影響性。 本文建立的一維模型傳輸機制用來探討鈕扣型電池的傳輸現象，二維模型用來探討圓柱型電池的傳輸現象。本文的模型包含集電板、電極與隔膜，多孔電極模型預測則參考Newman學者所做的假設，利用許多球體結構堆疊排列作為電極多孔結構的模型。鈉離子的傳輸現象以擴散方式傳遞，電化學反應由多孔壁面鈉離子通量模擬嵌入或嵌出電極的濃度值。透過商用軟體COMSOL求解本研究的數值模型問題。 研究結果顯示電化學反應愈劇烈，正極還原反應消耗的鈉離子速率愈快，當其速率大於由負極產生並傳遞至正極之鈉離子速率時，正極還原反應將受到影響而不穩定，故達截止電壓所放出的電容量愈低。因此放電速率、電極擴散係數、電解液體積分率及導電率皆對電池電容量及穩定性有很大的關係。定電流放電下，負極參數改變較正極影響來大，由於放電過程中，負極需進行氧化反應產生鈉離子與電子，並傳輸至正極，若負極產生鈉離子速率降低或是傳遞速率降低，正極必定因鈉離子濃度降低導致還原反應受到影響。 螺旋纏繞式電池設計不但可節省電池體積，並聯的原理可以大幅提升電池之電容量，亦可承受較大的放電速率。電化學反應所產生的熱源包括焦耳熱與熵變化產生的熱，由於鈉離子電池能承受的放電速率比鋰離子電池低，在各項條件下，除非放電時間較長，否則鈉離子電池的溫度變化都較鋰離子電池小。
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傘齒輪的應用非常廣泛，適用於各種軸交角之傳動上。傳統的製造方式大多使用齒輪專用機進行切削加工，然而不同輪專用機系統所製作的齒形亦有差異，使得所製造之齒輪除不能互通共用外，且設計加工參數多，若要對齒面做修整，相關設計參數之設定會變得相當複雜。因此本論文之研究目的，即提出以球面漸開線做為直齒傘齒輪之齒形，並以雙曲線建構之齒線隆起之齒面修整模式。為確認修整模式之可行性，論文中分別分析修整型傘齒輪對在未受載及受載狀況下之齒面接觸狀況，同時亦製造出測試齒輪，進行齒印量測及疲勞破壞測試。 本論文使用之齒面接觸分析方法，係利用球面漸開線之法向量幾何特性定義傘齒輪對在空間中任一組裝下的接觸條件條件，以簡化嚙合齒面接觸點位置之求解，再以此方法分析修整參數對接觸點位置及傳動誤差於不同組裝誤差下之影響。接觸點位置分析結果顯示，偏位誤差敏感度最大，其次分別為大、小齒輪之軸向誤差，而角度誤差並不會影響接觸點在齒面寬方向之位置，僅在齒形方向做改變。傳動誤差分析結果顯示，傳動誤差曲線在偏位誤差下近似於拋物線，而在大、小齒輪軸向誤差下則為非連續之近似直線，而在角度誤差下並無傳動誤差產生。 嚙合齒對之受負載齒面接觸分析，係使用影響係數法求解修整型傘齒輪對之受載齒面接觸應力、負載分配與受載傳動誤差。接觸應力分析結果可知：(1) 嚙合齒對在接觸開始時接觸應力會偏高，(2) 嚙合齒對在接觸開始與接觸結束位置，因受齒頂邊緣之影響，會發生齒面會有接觸應力集中現象。受載傳動誤差分析結果顯示：(1) 在不同負載下之傳動誤差曲線，會隨著輸入扭力增加而使整體誤差曲線偏移量加大；(2) 在有、無各組裝誤差下之傳動誤差曲線，在單、雙齒對接觸交界處會產生一明顯的段差，同時會隨輸入扭力增加而加大。 組裝誤差下嚙合位置則以齒印量測以及CAD干涉模擬兩種方式進行驗證，驗證結果顯示本研究提出之TCA模型計算結果與上述兩種驗證方式結果相符。 齒輪疲勞測試部分係於功率封閉型的測試平台上進行，對未修整齒輪及修整型齒輪，在不同負載下進行5*10^5週期之疲勞破壞測試，並比較其齒面破壞面積比率。由實驗結果可得知，在相同的負載條件及有限壽命下，修整型傘齒輪齒面破壞程度較未修整型齒輪小。在各疲勞測試中，同時會量測齒輪運轉時的振動，頻譜分析結果可知未修整齒輪邊緣接觸與齒輪不對心狀況對振動的影響，在齒面破壞後會變得嚴重；修整型齒輪齒面的磨損對於振動的影響較為明顯，若將軸變形補償納入測試，修整型齒輪整體的振幅值明顯較其他兩種條件低。
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行星齒輪機構是以多顆行星輪分別承受負載分配之方式來傳遞功率，因此有在相同空間下能傳遞較大功率之優勢。然而因加工與組裝誤差以及組件受載變形等因素，造成各行星齒輪間負載不等分配以及嚙合齒面負載不均等問題，因此多會使用均載機構設計來解決此問題。在眾多均載機構中，彈性銷均載機構可藉由其負載變形，使行星齒輪產生浮動以達均載效果。 本論文之研究目的即在以實驗方式量測行星齒輪機構在靜態負載下之負載分配與負載分佈，以探討加工組裝誤差及組件受載變形等因素之影響。在本論文中先以發展之理論，分析各項加工與組裝誤差對負載分配之影響，其誤差種類包括行星輪齒齒厚、銷孔之切向與徑向誤差，還有托架與太陽齒輪偏心誤差等，其中行星輪齒齒厚、銷孔之切向與徑向誤差對負載分配之影響不隨托架轉動角度變化，而托架與太陽齒輪偏心誤差會使負載分配隨著托架旋轉動產生周期性之變化。而各類誤差對負載分配影響中最大的為托架偏心誤差、隨後為太陽齒輪偏心誤差，再來是行星齒輪銷孔位置之切向誤差，然後是行星輪之齒厚誤差，而銷孔位置之徑向誤差對負載分配影響最不明顯。 本論文實驗採用之行星齒輪機構包括太陽固定式行星機構(3顆行星輪)與具彈性銷之行星機構(5顆行星輪)等兩種，實驗方式以背對背且功率封閉之實驗平台進行加載量測，輸入裝置則捨棄電動機，改以蝸輪分度之方式輸入轉動角度來進行量測。量測數據分別量測環齒輪齒根應變與太陽齒輪齒根應變，另外於彈性銷上黏貼應變規量測其應變變形。負載部份則以扭矩200Nm與300Nm分別量測。 由實驗結果分析可知負載分配率隨托架轉動產生激烈變化，可知托架偏心與太陽偏心相對於整體負載分配率變化占有相當之重要角色。而扭力越大，負載分配之高低差值會降低。由負載分佈量測結果可發現，太陽固定式行星機構之負載分佈極度不均，而彈性銷機構則能有效改善齒面負載分佈不均。
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雙光子吸收光致聚合微製造技術(Micro-manufacturing Technology of Two-photon Absorption Photopolymerization)是一個可以製作任意外形之三維立體微結構的技術，可運用領域廣泛，因而成為熱門之研究。TPP微製造因其製作材料與材料強度的問題，通常運用於微奈米級尺寸之製造，當要製作高深寬比或相對大尺寸物體之結構在以溶劑洗滌未被聚合的樹酯時，常會因為表面張力發生倒塌等結構破壞之現象，增加結構體的壁厚是一個可行的辦法，但製造時間將會呈倍數增加，且過密的曝光亦可能發生過度聚合產生尺寸不精確甚至發生微爆炸。因此本論文開發了螺旋路徑結構增強演算法在顧及製造效率之外又能達到加強結構強度之目的，並在生成雷射掃描路徑時，規劃在結構外表產生平順的螺旋過度線，以保持物體輪廓外觀完整。而在最後本文以幾個範例顯示此方法增強之結構。
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雙光子光致聚合(Two-Photon Photopolymerization, TPP)微製造技術是一種可以製造高精度的任意三維(Three-Dimensional, 3D)微/奈米結構的製造技術，而其加工方式類似於積層製造，是由一層層堆疊加工的方式來製造微結構。隨著科技的進步，科技產品也越趨向越做越小，微加工的製造技術漸漸成為主要發展對象。TPP微製造技術也因此受到矚目。 為了能以TPP微製造技術製造高精度微結構，本論文應用傳統使用於CNC切削加工的弦高誤差(Cusp Height)分析，發展一套以弦高誤差為基之雷射掃描路徑規劃法。其特色是以SolidWorks為幾何核心，其微結構之CAD模型並沒有經過三角網格化的步驟，因此能保留較完整的表面曲面特徵。此外，本論文利用VBA(Visual Basic Application)語法所撰寫的SolidWorks API(Application Programming Interface)程式和體素結合弦高誤差演算法，進行雷射掃描路徑規劃，最後並以數個範例驗證演算法的正確性。
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在現代對於電力的需求逐漸增加時，並且隨著各樣的二次能源被開發，如何去儲存並且調節其使用時間，是目前需要克服的問題。全釩氧化還原液流電池即是一種新型態的儲能系統，其具有容量大、壽命長、且可瞬間充電的優點，因此用於調節電力系統深具潛力。 全釩氧化還原液流電池由離子交換膜、石墨氈、雙極板、以及電解液所組成，其中電解液為硫酸環境，而雙極板做為隔絕兩極液體，並且收集電流之功用，因此需要極佳之耐蝕性。目前雙極板材料多為石墨板材料或是由石墨與高分子組成的複合材料，但在長時間運行下，其正極端仍會有腐蝕剝落的現象，且石墨為脆性材料，在組成單電池過程中，亦有破裂的情形。因此，選擇以機械強度極佳的金屬材料，做為輕薄型的金屬雙極板，使其更適用於全釩氧化還原液流電池當中。 然而，硫酸環境對金屬而言，除了貴金屬外，是相當容易反應的，因此需在金屬表面披覆功能性鍍層Cr-C鍍層，提升金屬的耐蝕性與導電性，使其成為適用於全釩氧化還原液流電池。Cr-C本身為具有高硬度、耐蝕性佳且導電之材料，多用於腐蝕環境的鍍層或是複合材料當中的強化媒介，因此希望藉由此功能性鍍層的披覆，達到增進金屬基材SS304不銹鋼及銅的耐蝕性。
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雙光子聚合(Two-photon Polymerization, TPP)微製造技術由於可製作任意微/奈米尺寸級之複雜立體外型結構，運用領域廣泛，因而成為熱門之研究。在目前相關研究中，提高TPP製程效率與良率、與目標物品精度，一直是各方專家相繼努力之方向。本論文利用高斯光束推導出不同能量之能量均勻橢圓體、統計學上目標函式，計算出最適合雷射曝光位置，使得欲加工之微結構體素重疊能量均一以達到雷射曝光最佳化，提高微結構之尺寸精度，並且降低聚合時發生微爆炸之機率。最後本文提出幾個微結構範例顯示此方法改良之最佳化。
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開口式高位脛骨截骨手術是用來治療內側單側發生退化性膝關節炎，而膝關節活動度仍良好的年輕病患，其治療方式矯正膝關節已偏移的力學軸線，重新分配關節內外側的負載比例，達到減輕病患疼痛，促使軟骨再生的功效。然而開口式截骨手術難度較高，截骨矯正的過程使脛骨近端變得極不穩定，臨床上常見的失效模式包含骨釘與骨板的鬆脫或破壞，或植入物支撐能力不足使得脛骨平台斜率增加，甚至是外側脛骨斷裂導致缺口塌陷而未能達到矯正目的。 為了解決目前開口式截骨手術遭遇的問題，本研究由術前規劃開始，建立矯正角度與缺口高度之關係式，確保矯正缺口時仍能維持脛骨平台的斜率。植入物的部分以生物力學測試與電腦數值模擬的方式，研究現有單支與雙支骨板的力學傳遞與優劣，並參考分析結果，配合臨床醫師提供意見，進行新型骨板的設計。除此之外，為了簡化手術流程，提高矯正之精確性，搭配專用之截骨手術器械設計與手術流程規劃，之後利用電腦數值模擬再次驗證新型骨板的設計。因應縮短病患臥床時間的手術趨勢，本研究結合步態膝關節之力學資訊，研究截骨手術後，膝關節在步態行為下的生物力學、缺口穩定度與不利骨質癒合的受力環境。 雙支設計的骨板不論在缺口剛性、缺口穩定度與支撐強度均較單支骨板有更好的表現，步態行為下也更能降低缺口處不利骨癒合的剪力，其抗彎矩的力偶機制，能避免缺口處的槓桿效應而產生被拉伸的現象。雙支設計無可避免有較大的體積，然而選擇截骨手術固定系統時，必須在手術便利性與結構穩定性之間取捨，因此對於體重較重或有術後即下床行走需求的病患，雙支設計的骨板是較好的選擇。而單支設計的骨板配合鎖固式骨釘則適用於活動力較低且體重較輕的病患。
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椎弓根螺釘是目前用於治療脊椎側彎或畸形的主要工具，而施行此類手術需要非常準確地將螺釘植入適當的位置，在不傷到神經及血管的情況下將螺釘穿過椎弓根植入椎骨，本論文基於積層製造技術發展出一套定位演算法及導引夾治具自動化設計流程，用以減輕醫師在手術時的工作及增加植釘的準確度。 本研究所發展的定位演算法主要概念是先將病患的電腦斷層影像由軟體建立出三維網格模型，醫師僅需輸入進釘點及椎弓根約略位置，本演算法將會自行推得椎弓根螺釘最佳進釘路徑，並計算出可植入的最大螺釘半徑、長度、進釘位置及角度。接著上述數據將傳遞給本論文發展的另一個自動化流程，用以產生椎弓根螺釘進釘導引夾治具。本夾治具與病患之患部的接觸面係由電腦斷層影像重建之三維網格模型選取得來，因此可以穩固地扣在患部，提高精確度的定位。 最後，本論文以年幼病患的頸椎及胸椎椎骨的電腦斷層影像作為例子，用以驗證本文發展之方法。
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自然界有許多現象無法被直接觀測，例如岩層孔隙內蘊涵的原油透過強化注水增加採油效率時的微觀動態變化。微模型的應用使得許多流體的現象得以被直接觀測，而傳統用於研究兩相流的微模型多以玻璃為主，利用蝕刻的方式製造流道，這種微模型受限於製造方式而缺乏尺度設計彈性；此外也有利用聚二甲基矽氧烷(PDMS)製作微流道模型，但其易被浸潤及易變形的特性使其不適合做流體觀測。 本研究利用在生醫領域已廣泛利用的微流體晶片技術，先以微影的方式在光滑的矽基材上製作微模型的母模，再透過熱壓印及熱接合方法，製作以環烯烴共聚物(COC)為基材的微流體模型，具有高透明、高剛性、耐酸鹼醇酮、吸水率極低等特性，配合流量控制的針管儀器及觀測設備組成兩相流觀測系統，可進行流體現象的實驗及分析。 本實驗所製作的微流體模型兼具設計上的彈性、精準的尺度，以及低成本、低複雜度，非常適合實驗室使用，此外更由於基材可進一步加工改質或鍍膜，具有更多應用的方向，所以未來發展極具潛力。