中央大學機械工程學系學位論文
國立中央大學,正常發行
選擇卷期
- 學位論文
本論文探討雙向IGBT Converter系統與自主式微電網連結，其熱管理是非常重要的，因為高電壓或高電流將間接地或連續地產生高溫使其使用壽命減短，甚至破壞整體系統運作，特別是使用高功率元件絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)。熱界面材料(Thermal interface materials, TIM) 對於高功率元件散熱有很大的改善與幫助，在本論文中所使用TIM是將兩種高散熱的TIM納米石墨片(graphite nanoplatelets, GNPs)與納米顆粒（nanoparticles, NPs）進行疊加試驗，疊加方式是通過網印製程以確保NPs均勻的印在GNPs上，利用疊加的TIM使得熱界面材料的有效熱傳遞以及良好的散熱性能應用在Converter系統中IGBT實驗中並加以探討。 本論文以Converter系統中IGBT為對象利用一個以模擬技術(finite difference or finite element method)的方法，並透過模擬軟體COMSOL進行模擬，且實際進行實驗對高功率元件之結構進行熱管理分析，包含熱源、起始與邊界條件、各種散熱情境對元件溫度分布與最終性能之影響。並將以IGBT模塊的內部結構和材料特性為基礎，探討熱循環與熱應力使導致焊料層疲勞、鋁接線斷裂或剝離、(Direct bonded copper ,DBC)直接覆銅基板失效等故障產生。
- 學位論文
本論文主要探討工程塑膠材料：丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)(ABS)應用於製造液晶螢幕電視機後殼。使用之加工方法如下：射出成型(Injection molding)、真空熱成型(Vacuum thermoforming)等。傳統工業上，生產液晶螢幕電視機後殼是使用射出成型，然而開發射出成型於大型尺寸模具費用昂貴，所以採用另一種塑膠成型法－真空熱成型(Vacuum thermal forming)，其用於製造大型尺寸產量少之產品，模具費用相對較低，在真空熱成型過程中，將ABS塑膠材料板片進行加溫軟化後，施予真空與施加壓力，而加溫過後的ABS塑膠材料於模具孔洞成型時會產生流變行為，此時的應力、溫度、應變與應變速率會間接影響ABS塑膠材料的變型趨勢。 利用標準微型電腦材料試驗機(MTS)，對塑膠材料ABS進行高溫流變應力行為分析。在不同的溫度( 95－110 °C )與不同的應變速率( 1×10-3 － 5.6×10-2 s-1 )進行塑膠材料拉伸測試變化，研究應變速率與溫度對於ABS塑膠材料之機械性質的影響。同時藉由冪次法則(Power law model)與雙曲線正弦函數(Hyperbolic sine law model)，可以得知應力與應變相關關係式，並探討材料的應變速率(ε ̇)、應力指數(n)、應變速率敏感指數(m)、材料常數(K、A)、熱活化能(Q)與溫度(T)，進而討論其變形條件下的關係式，再由冪次法則與雙曲線正弦函數分別計算出實驗值與計算模擬值，進行組合方程式相關驗證後，比對算出誤差值進而比較。
- 學位論文
本研究利用電子迴旋共振化學氣相沉積(Electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, ECR-CVD)於低溫製備磊晶矽薄膜， ECR-CVD屬於高密度電漿具有較快沉積速率、無電極汙染、低離子轟擊等特點。但由於ECR-CVD腔體在製程上的不穩定性，易造成實驗誤差並影響實驗結果。本實驗分析製程參數與腔體環境，找出各製程參數對薄膜結晶率與沉積速率的影響，在製程上分別改變氫稀釋比、製程壓力、微波功率、主磁場位置、基板溫度 、不同薄膜厚度、不同基板與處理方式；在腔體環境上改變腔體預鍍時間，搭配每週沉積相同參數薄膜並記錄ECR-CVD的最低壓力與清腔光譜，找出影響製程穩定性的原因與解決的方法，並藉由光放射光譜儀、橢圓儀、拉曼、X光繞射儀與穿透式電子顯微鏡來量測電漿光譜與薄膜結構特性。 如要得到穩定的製程環境，須注意腔體清潔，並藉由放射光譜儀的監控與適當時間的預鍍，使其電漿狀態穩定，且在實驗過程中注意使用的基板與處理的方式。如要沉積高結晶率的矽薄膜，必須選擇適當的氫稀釋、高的製程壓力、低的微波功率與高的基板溫度，且可以藉由放射光譜儀量測電漿中SiH*強度估算出矽薄膜的沉積速率，減少實驗所須的步驟與時間。
- 學位論文
本論文利用近場電紡織技術(near-field electrospinning，NFES)研究壓電奈米纖維，製作成壓電獵能器及形變感測器，主要重點為(1)製作奈米發電機(nanogenerator，NG)/形變感測器，並研究不同電極密度對輸出之影響，(2)利用乾式轉印技術將Au-coated纖維轉印至聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsiloxane，PDMS)上，完成具可撓且透明的電極，(3)將透明電極結合近場電紡織技術，開發出全纖維式可撓、透明壓電獵能器。以直寫(direct-write)方式將壓電高分子材料聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)利用NFES技術將微/奈米纖維(micro/nanofibers，MNFs)大面積排列在可撓性基底上製作成奈米發電機，並且進行一系列訊號量測與驗證。我們將奈米發電機/形變感測器固定於人體關節(手指、腳踝)上運用關節移動來產生訊號，且可區分不同動作之訊號。最後作出全纖維式可撓、透明壓電獵能器，將其同方向捲成圓柱狀獵能器，研究圓柱狀直徑對協同增強效應之影響。
- 學位論文
全髖關節置換手術(THR)是髖關節炎最常見的治療方式，儘管此類的有柄式植入物(stemmed)無論在外型、材質、或表面塗布上已有相當成熟的發展，但對於應力遮蔽、植體鬆動及骨溶解等問題依然無法解決。因此，為解決有柄式植入物在手術過程中需切除整顆球頭、鋸除全部股骨頸及掏空骨髓腔等步驟，便衍生出無柄式植入物(non-stemmed)的設計，以求保留髖關節大部分的骨質。而現已發行的無柄式植入物僅由中心柱或骨釘與股骨頸固定，臨床上常發生中心柱斷裂，或罩杯晃動滑脫而未能達到治療目的。 為解決目前無柄式植入物遭遇的問題，本研究由術前規劃開始，重建骨頭模型，取得中心軸及股骨頸外部曲面資料等參數進行植入物設計，並以電腦數值模擬與生物力學測試的方式，研究不同植入物於股骨上的力學傳遞差異性，並參考分析結果，配合臨床醫師提供意見，進行植入物的設計修改。後續考量到臨床上可能遇到的問題，再以電腦數值模擬對骨釘斷裂情況及手術切除誤差進行探討。此外，為了簡單化及標準化手術流程，提高手術的精確性，設計專用之切除及組裝手術器械，規劃其手術流程，並使用3D列印技術製作出樣本以模擬過程，驗證客製化無柄式植入物設計的可行性。 客製化的植入物由於外型與股骨頸貼近，因此在植入物、骨釘、骨頭上的應力，均比現有的無柄式植入物有更好的表現，以生物力學測試的結果看來，客製化的外型確實可降低鬆動的發生，在骨釘斷裂與手術切除誤差的情況下，依然能緊密地固定在股骨頸上。但無柄式相較有柄式植入物的設計，其穩定度還是比較低，因此在選擇置換手術系統時，必須在手術便利性與結構穩定性之間取捨。對於只有關節磨損、退化性或類風濕性關節炎及年輕的病患，無柄式植入物是較好的選擇，但如果患有骨質疏鬆、股骨頸缺血性壞死或骨折的病患，還是以全髖關節置換手術為佳。
- 學位論文
質譜分析是檢測蛋白質與胜肽樣本的重要工具，應用在許多生物醫學、細胞代謝檢測分析上，如今質譜檢測快速發展，檢測技術朝向以無機質的固態材料為基材，稱之為表面輔助雷射脫附游離法（Surface-assisted Laser Desorption Ionization , SALDI），而本研究使用金屬輔助蝕刻製作出奈米層狀矽結構 (nanostructured silicon , nSi)，此結構具有高的表面積可吸收紫外光，檢測分析上具有高靈敏度且不受基質干擾。 本研究將奈米矽晶片放置於不同環境下，觀察質譜訊號與接觸角的變化，發現放置於真空與氮氣環境下能保持質譜性能與維持表面疏水性。另外提出利用真空加熱奈米矽晶片的處理方式，不僅能提升晶片表面疏水性，還可提高質譜晶片檢測的靈敏度，檢測濃度10-6M的des-Arg9 Breakinin樣本可提升六倍的質譜訊號，且樣本檢測極限達到從10-7M 提升至10-10M，並且可消除低質量區域景雜訊的干擾，有利於小分子量的樣本分析。 從真空加熱實驗中探討DIOS的機制，由螢光吸附結果得知，真空加熱後的晶片樣本吸附方式較為不同，推理出加熱後的模型，說明表面分析物經由吸收更多熱能達到脫附。另外發現表面經由空氣生成的氧化物對於質譜訊號並不會造成負面影響，且推測與目前學者所提出的離子源Si-OH為同一物質，並利用二次沉積方式將金粒子覆蓋於表面，輔助證明表面離子源。
- 學位論文
摘要 以低的氣壓進行金屬鈑片熱成形在工業界是具有它獨有的優勢的，氣壓熱成形簡單而言就是超塑性成形(SPF)或為快塑成形(QPF)，前者的製程條件:1.細晶超塑性材料2.超塑成形溫度3.超塑成形變形速率，而後者則為衍生出專為汽車工業採用的工法。然而定義或者區別以及他們的成形性卻沒有明確的解釋與說明，大多數的金屬例如鋁合金、可分為細晶跟粗晶粒材料，這種微結構所具備的成形條件、即溫度和應變速率，在氣壓成形過程中就可以被分類為超塑性或者非超塑性材料，本論文中對於鋁合金5083超塑性及非超塑性材料分別在不同需求的成形模具內，觀察其成形性進行比較，也對於超塑性成形與快塑成形兩者製程的成形性做比較，結果顯示超塑性成形適合複雜且較難以成形的零件、而在形狀簡單的模具下其厚度分佈也比快塑成形優秀，但此氣壓成形工法的條件較為嚴謹、必須要在符合的溫度(~500℃)、應變速率(一般條件約為10-3~10-4 S-1)之外、更需要具備足夠的成形空間(模具設計)以及超塑性材料(細晶粒 5~10µm)，才能完全展現超塑性成形的特色，而在快塑成形中，則可以藉由較大的變形速率完成較為一般的成形零件、其成形要求的溫度較低(~450℃)、應變速率為~10-2 S-1快了超塑性成形將近10倍的速度，表示了兩種氣壓成形工法分別在不同的需求上，有著各別的優缺條件以及重要性。
- 學位論文
本研究主要以Gleeble-3500金屬熱加工模擬測試機對AZ61鎂合金擠製材於變形溫度在250℃-450℃、應變速率：1 x 10-3 - 1 s-1進行熱壓縮實驗並探討其熱變形的機制。以組合方程式對其熱變形的機制進行研究，進而考慮應變對組合方程式的影響進行研究。本研究以雙曲線正弦函數律的組合方程式進行分析，且建立應變對各參數之間的變化；其中包含了應力指數n，活化能Q和材料常數ln A，進行應變對流變行為的相關性分析。在研究的過程中發現固定的應力乘積α，計算出來的流變應力與實驗值有良好的吻合率，但在低的應變的變形條件下出現了較高的應變硬化，使得應力高估的現象出現。然而在本研究組合方程式分析中加入應變對各參數變化可使計算和實驗的流變應力得到了一個更好的評估。 本研究也探討退火熱處理對組合方程式分析中加入應變對各參數間的變化。AZ61鎂合金經退火熱處理後，其熱壓縮的流變應力曲線呈現典型動態再結晶的特徵。然而不同的退火熱處理影響各試片的初始狀態，亦影響組合方程式中的各參數變化。
- 學位論文
在固體火箭發動機中，推進劑與襯層界面黏接良好能確保推進劑裝藥按設計燃燒。若界面產生脫膠，將使裝藥燃面發生變化，不但影響設計性能，也會造成發動機失效。本研究以二具發動機的失效現象，探討如何提升推進劑藥柱與襯層界面的黏接強度，使其黏接強度大於8㎏/㎝2的設計要求。針對端羥基聚丁二烯（HTPB）原料以真空（5-20 torr）及加熱溫度控制在60-70℃範圍，並分別增加襯層內TDI含量2%、5%、10%、15%及21.5%，使NCO/OH的當量比值分別為1.035、1.056、1.087、1.139、1.190及1.258進行黏接強度測試與分析。驗證結果黏接強度呈現隨著TDI固化劑量增加而增強的趨勢，襯層原料之HTPB加熱、抽真空並搭配TDI正常量+15 %可以達到黏接強度的要求。 高能量、高燃速固體推進劑是推進劑領域重要的發展方向，添加奈米金屬粉作為燃燒活性劑是提升固體推進劑燃速和能量的有效方法之一。粉塵爆炸是由可燃顆粒物懸浮在空氣中迅速燃燒所引發，本研究在銀粉塵濃度0.8 g/L的爆炸測試實驗中，鋼球體內之最大壓力無明顯增加；測試後殘餘的微細固體顆粒也沒有證據顯示燃燒反應。此外，鋁粉、RDX粉塵及其兩者的混合物進行了粉塵爆炸的行為進行粉塵爆炸實驗，當混合粉塵中鋁及RDX的含量不同，則混合粉塵爆炸時的最大壓力上升速率也遵循不同的規律。在推進劑的製造過程中，高濃度粉塵的使用是不可避免的。為了安全處理可燃性粉塵的危害，首要確認粉塵的爆炸程度與降低粉塵爆炸的風險。然而，由於爆炸過程的複雜性，粉塵爆炸測試可先以爆炸參數與最低易爆濃度進行風險評估。如何分析和識別固體推進劑製造過程的危險源與控制危險事故的發生及發生事故後如何將損失降到最低，都是安全工作的重點。
- 學位論文
本論文利用近場電紡織技術(near-field electrospinning，NFES)，研究壓電奈米纖維並且製作成奈米發電機(nanogenerator，NG)，主要重點為 (1) 利用近場電紡織技術大面積排列壓電奈米纖維製造奈米發電機，(2) 同心圓排列壓電纖維製造多方向性奈米發電機 ， (3) 結合透明石墨烯電極製造透明可撓奈米發電機奈米發電機。以直寫(Direct-write)方式將壓電高分子材料聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)利用NFES技術與XY精密位移平台將奈微米纖維(nano/microfibers，NMFs)大面積排列在可撓性基底上製作成奈米發電機，並且進行一系列訊號量測與驗證。為了使NG更有效率的蒐集機械能，我們改良壓電纖維的排列方式，從平行直線排列變成同心圓排列，成功讓NG可更直接蒐集來自不同的機械力，且可達到 ~4V的電壓 500nA電流輸出。另外，我們結合石墨烯來做為基板，製造出透明且可撓的NG，相較於之前不透明的銅箔基板有更多的發展空間，未來可望應用在手機螢幕或穿戴式裝置上作為自供電系統。