中央大學機械工程學系學位論文
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AA1050為商用純鋁，具有良好的加工性、延展性等優點，然而AA1050在鋁合金中屬於強度最低者之一，使其應用大幅被限制，可以藉由嚴重塑性變形將AA1050加工成晶粒尺寸為1μm之極細晶(ultrafine-grained)材料，其硬度與拉伸強度較未加工之AA1050上升一倍以上，但延性與應變硬化應變能大幅下降。 本研究藉由添加微量Zr與均質化處理後以不同速率冷卻而改變AA1050合金內元素固溶量，探討固溶量對其機械性質之影響;結果顯示經均質化爐冷處理後的合金，由於Al3Zr第二相的析出，於鋁基地中阻礙差排移動之固溶元素極低，導致合金強度與應變硬化能力均不佳。而經均質化水淬處理後的合金為一過飽和固溶體，鋁基地較爐冷合金擁有更多固溶元素以阻礙差排移動，導致合金之強度與應變硬化能力的提升。且對於含低固溶量原子之AA1050鋁合金，固溶量的增加，對合金之延性與應變硬化應變能無明顯影響; 而含較高固溶量原子之AA1050鋁合金，固溶量的增加，對合金之延性與應變硬化應變能顯現較明顯之提升效果。而在含鋯極細晶AA1050合金中，Zr固溶量增加對其延性與應變硬化應變能之提升相較於對其硬度與強度來得更加顯著。
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藉由非破壞性檢測技術(導電度量測與超音波檢測)探討微量銀對Al-4.6Cu-0.3Mg合金之微結構與機械性質影響的關連性;結果顯示經T6時效熱處理，合金之機械性質（硬度與拉伸強度）均隨銀含量增加而升高，而延性則反之；而在銀含量低於0.9wt%時，強化相(Ω+θ′)之析出量隨著銀含量增加而上升，同樣的，合金之相對導電度與相對聲波速度也顯現相同之趨勢，其增幅與微結構、機械性質之變化趨勢吻合;顯示非破壞性檢測技術（導電度與超音波量測），能作為含銀量對Al-4.6Cu-0.3Mg合金之微結構與機械性質影響的有效評估方法，且導電度量測較超音波測量更能靈敏的偵測強化相之析出。
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鈣鈦礦結構鍶鈰氧化物(strontium-cerium oxides)具有高的質子與電子傳導率，故廣泛應用於質子傳輸膜(Hydrogen Transport Membrane, HTM)、氫氣感測器與質子傳輸型固態氧化物燃料電池電解質材料。許多研究都著重於摻雜異價元素(3+)於B-site對於材料導電性與化學穩定性之影響，但摻雜於A-site對材料特性影響卻鮮少討論。本論文主要探討不同位置摻雜對於SrCeO3材料晶格變化、質子與電子傳導率、化學穩定性的影響。 本研究選擇鉀元素(K＋)摻雜於A-site、釔元素(Y3+)摻雜於B-site，其材料化學式可寫成SrCeO3、SrCe0.95Y0.05O3-δ、Sr0.95K0.05CeO3-δ與Sr0.95K0.05Ce0.95Y0.05O3-δ四種材料。材料合成利用固態反應法 (Solid State Reaction, SSR)來製備。以X光粉末繞射儀(XRD)分析材料相與結構的變化，場發掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)觀察材料表面形貌；利用兩點式電阻量測法分別在RH 1%與RH 30%氫氣氣氛下進行電導率測試；化學穩定性則在600℃、1 atm CO2氣氛下，分別進行2、4、8與16小時穩定性測試。 由XRD結果顯示，四種材料經1250℃煆燒12小時後可獲得單一鈣鈦礦結構，並無其他雜相生成；經過1550℃高溫燒結後，所有材料孔隙率皆低於4%。化學穩定性方面，四種材料經過16小時均以分解成SrCO3與CeO2氧化相，顯示不同位置摻雜無助於提升材料之化學穩定性。在導電性方面，Sr0.95K0.05CeO3-δ材料於900℃於濕氫氣氣氛下(RH 30%)具有較高的導電率，可達到0.1527 S∙cm-1。
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球閥應用相當廣泛，除了當做流體的開關，還可調節流體的流量和壓力。它未來的發展趨勢，能夠用在大型化，高溫和高壓，能承受外界較惡劣的環境，管壁能耐腐蝕，又能用在長輸管線。其中高溫和高壓會衍生出空蝕問題。空蝕會把管壁材料受損，而影響整個球閥的性能。空蝕嚴重時會有哽塞流現象，使壓力差增加時，流量不會再增加，會失去閥的流量調節性。 本文用ANSYS FLUENT套裝軟體來進行數值模擬，研究重點是空蝕的預測。空蝕現象會有相變化，模擬空蝕需用兩相流模型。結果可以得氣態體積比例圖，來呈現球閥所含的蒸氣體積分量，這和空蝕現象描述相近，它是預測空蝕較準確的方式。本研究用不同壓力差和球閥轉角，來討論空蝕對不同壓力差和球閥轉角的影響。再用模擬結果算出球閥性能，討論性能對不同壓力差和球閥轉角的影響，還有對空蝕的相關性，並和氣態體積比例圖的結果比較，來驗證空蝕預測的準確性。 模擬結果得知，預測空蝕最準的方式是氣態體積比例圖，其次是空蝕係數和流動係數，最不準的為壓力圖。用壓力圖判斷空蝕比氣態體積比例圖會高估許多，所以壓力低於蒸汽壓空蝕不一定會發生。其空蝕的影響因素，球閥轉角的影響性會比壓力差的影響大很多，代表流場的幾何形狀是空蝕影響的主要因素。損失係數和流動係數主要由球閥轉角來改變，而對壓力差影響較小，而空蝕係數的改變，球閥轉角和壓力差都有影響。球閥適合操作的轉角和壓力分別為30度以內， 2 bar以下，若球閥完全沒有空蝕發生，轉角要調到20度以內。
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鈣鈦礦結構氧化物具有相當多的性質，尤其是其電子與離子傳導特性，故廣泛應用於固態氧化物燃料電池中。如：質子傳導固態氧化物燃料電池中之陽極與電解質材料、及氧離子傳導固態氧化物燃料電池中之陰極材料，甚至當作保護層材料披覆於金屬連接板表面上。本論文則主要討論La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)鈣鈦礦氧化物當作保護層材料批覆於金屬連接板表面上、與SrCeO3質子傳導電解質材料。 在La0.67Sr0.33MnO3保護層研究方面，首先分別選擇Crofer22 APU, Crofer H, ss441 及兩個不同成分之ZMG232 之Fe-Cr合金。主要探討這五種材料於800℃高溫環境下之高溫抗氧化性與鉻揮性等。利用SEM/EDS與XRD來觀察及分析材料微結構變化與氧化層成分分析。高溫電阻則利用四點探針法進行量測。結果顯示，Crofer22 APU材料相較於其他四種材料，在長時間高溫環境下呈現出較薄氧化層厚度、較低的高溫電阻與較少的鉻揮發。 為了進一步提升連接板高溫抗氧化性，利用脈衝直流磁控濺射法、氣膠沉積法和網版印刷法、將La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）塗覆於連接板表面上當作保護層。並於高溫氧化的環境下分析其高溫電阻變化及鉻揮發。實驗結果顯示，脈衝直流磁控濺射製程可製備出高品質與高緻密性保護層，能有效降低連接板之高溫電阻及減緩鉻向外揮發。 在質子傳導電解質材料方面，選擇SrCeO3當作基本材料，將鉀與釔分別摻雜於SrCeO3材料A-與B-site中 ，利用固態反應法製備出Sr1-xKxCe0.95Y0.05O3, (x=0, 0.025, 0.05)材料。並探討鉀的摻雜對於SrCe0.95Y0.05O3材料於氫氣與二氧化碳氣氛下、對於導電率及化學穩定性的影響。以X光粉末繞射儀(XRD)分析材料相與結構的變化，場發掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)觀察材料表面形貌；利用兩點式電阻量測法分別在550, 600, 700, 800 及900℃濕氫氣(RH 30%)氣氛下進行電導率測試；化學穩定性則在600℃、1 atm二氧化碳氣氛下，分別進行2、4、8與16小時穩定性測試。結果顯示，鉀跟釔的摻雜能增加SrCeO3材料的導電率。Sr0.95K0.05Ce0.95Y0.05O3於900℃濕氫氣氣氛導電率可達到0.0081 S/cm2。在化學穩定性方面，鉀跟釔的摻雜無助於SrCeO3材料之化學穩定性，此現象也限制Sr1-xKxCe0.95Y0.05O3材料在固態氧化物燃料電池上的應用。
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放電披覆加工(EDC)是運用放電加工(EDM)的原理及調整放電參數在放電加工表面上進行材料披覆的一種加工技術。 一般EDC是在煤油中進行，煤油經過高溫裂解所產生的碳元素會與來自於電極材料的游離物質反應生成碳化物，所以EDC處理後的工件表面成份大都是碳化物，至於用EDC方法披覆非碳化物的研究相對較少。 本論文嘗試改變放電加工介質及自製不同電極材料進行EDC研究，主要是探討較特殊的碳化物及氮化物材料之適合參數條件及其產生的機制。 本研究選擇矽油為放電加工液，搭配石墨電極在高熔點難加工的鉬金屬表面披覆碳化矽材料是基於鉬金屬在微波管元件應用上的需求。 由實驗結果顯示選擇適當的放電加工參數不僅可以進行鉬金屬之加工成型，也可以對鉬金屬表面進行碳化矽吸波材料之披覆處理，因此可以簡化複雜的披覆程序與減少昂貴設備的投資，而具有應用在國防工業的潛力。 本研究製作鈦金屬及氮化鈦陶瓷兩類電極材料，分別在煤油(濕式EDC)與氮氣（乾式EDC）中對商用鋁合金表面進行披覆加工處理是著眼於改善鋁合金材料應用在燃料電池的雙極板時不耐酸蝕的缺點。 依據實驗的結果顯示：在濕式EDC時，高燒結密度（80%）的Ti金屬電極可以對鋁合金同時進行EDM及EDC處理，加工表面含有緻密的TiC層。 在煤油中添加氮化鈦粉末可以改善加工效率與表面品質，但採用高密度 (80%) 的TiN陶瓷電極，在鋁合金表面僅會形成多孔隙的TiC陶瓷層。 在乾式EDC方面，使用低密度 (60%) 的Ti燒結電極，在適當的參數條件下可以進行純TiN披覆處理，但高密度者需要更高的放電能量。 TiN陶瓷電極可以直接在鋁合金表面披覆純TiN層，然而低密度(60%)的TiN電極較不耐高放電能量，電極的耗損率會較高。 反觀採用高密度的情形，TiN披覆層的微觀形貌會受到峰值電流的影響，低峰值電流的TiN披覆層呈現緻密微細顆粒形貌，高峰值電流時則呈現多孔的網狀熔塊結構，表面粗糙度也比較高。 由於碳化鈦及氮化鈦均是屬於耐化學蝕腐之陶瓷材料，而放電加工技術也可被應用在燃料電池之金屬雙極板流道之成型製作，因此本研究結果具有作為一種複合加工技術應用在此領域之中的潛力。
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傳統質子交換膜燃料電池膜電極組結構，由一個質子交換膜為中心，以三明治形式依序往外，兩面各夾一層Pt/C-40觸媒層（白金金屬含量40 wt％），其觸媒層外再各夾一層氣體擴散層，組合成五層的膜電極組（結構a）。本研究藉由修改傳統膜電極組結構包含：（1）將Pt/C-80觸媒漿料（白金金屬含量80 wt％）塗佈於Pt/C-40觸媒層與質子交換膜之間，形成七層的膜電極組（結構b）；（2）將Pt/C-80觸媒漿料塗佈於Pt/C-40觸媒層與氣體擴散層之間，形成七層的膜電極組（結構c）；（3）將Pt/C-80與Pt/C-40觸媒漿料混合，塗佈於質子交換膜與氣體擴散層之間，形成五層的膜電極組（結構d）。在固定的白金金屬載量中，經研究發現調整型膜電極組結構b、結構c和結構d，均比傳統型膜電極組結構a有更好的電池性能。其性能提升之主要原因，推論為觸媒層厚度降低，減少陽極端H+離子傳遞至陰極端的距離（增加導離子度），使得與陰極端的反應縮短，並降低質子傳遞阻抗。 本文亦藉由二維數值模擬分析之觀點，探討影響性能之原因。根據模擬結果顯示，調整型膜電極組電池性能比傳統型較佳的結果與實驗相符。主要原因則包含：質子傳導度、開路電壓，及觸媒層厚度等。同時亦觀察到不同膜電極組之水分佈情形；當Pt/C-80觸媒層介於氣體擴散層與Pt/C-40觸媒層之間（即結構c膜電極組），可發現膜電極組內有較多的液態水堆積。
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本研究實驗材料為熱處理型6061-T6鋁合金，以惰氣鎢極電弧銲接(TIG銲)進行T字型銲接，探討鋁合金T字型銲接結構件於等負荷振幅下之疲勞性質並與各銲接規範比較。 研究結果顯示T字型銲件疲勞試片斷裂點全位於熱影響區靠近銲道上的位置。T字型銲件在較高壽命區間(N = 10^5 ~ 10^7)其疲勞強度(S - N曲線)皆比 IIW、BS8118 及 Eurocode 9 等規範之對應的設計曲線高，三種規範之設計較為保守。在較低壽命區間(N = 10^4 ~ 10^5)，以 IIW 規範與實驗值差異最小。而在變動負荷振幅下之疲勞性質，並研究其疲勞壽命分析模式方面，綜合拉張平均應力歷程(TRN歷程)及輕微壓縮平均應力歷程(BRK歷程)變動振幅疲勞測試結果，建議以Goodman平均應力法進行修正，可得較佳的疲勞壽命預測。
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本研究對玻璃表面進行二維振動輔助磁粒研磨的加工方法。有別於使用化學方法對表面加工，此研究使用物理方式加工，使表面擁有加工紋理，用來改善表面疏水特性，並針對油污沾附結果討論。 實驗分成兩部分，首先前置實驗針對此研磨機構對於玻璃進行研磨加工進行分析能否加工玻璃，取其加工量做為參考值，並分析加工參數對於加工量之影響關係。變異參數包含了加工間隙、加工時間、加工液濃度。擁有最佳加工量之加工參數為加工間隙0.1公釐、加工時間20分鐘。 第二部分實驗為對不同參數對於表面形成之粗糙度、接觸角進行分析，並增加油污沾附之影像分析進行討論其沾附情況。所得之結果粗糙度越低，接觸角越高。油污沾附以深色占所有顏色之比例進行分析，粗糙度越低，對油污沾附較少，效果較好。
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隨著電子產品的需求度增加，使得各種薄型化微小零組件的需求也隨之大幅提升。以手機鏡頭模組而言，其光學鏡頭承座由於厚度上的差異化，再加上採用高強硬不鏽鋼，無法全部採用沖壓方式進行加工，而現有的製程是採用化學蝕刻減薄後，再結合沖壓下料方式進行加工，其加工時間長(約10~20µm/h)，因此，若將蝕刻改以電化學加工的方式，將可大大提升生產量。 本研究係利用微電化學的方式，對SUS304不鏽鋼薄板進行加工，針對加工後於工件底部所形成之R角半徑進行探討，期盼找出能使R角半徑為最小值之加工參數。在前置實驗中發現到電解液(NaNO3)的濃度必須在15wt%以上才有加工效果。以及使用二次性加工的方式進行加工時，會有較小的R角半徑，因為當加工深度越深時，R角半徑則會越小。 由實驗結果得知，當加工電壓與脈衝時間增加時，加工深度會隨之增加，R角半徑則會越小。當電壓為11V、脈衝為70µs，液壓為2kg/cm2以及電解液濃度為20wt%時，可加工出最小的R角半徑0.094mm。