课程名称复合材料学生马永霖学号49640050老师吴文海参考文献.doc

課程名稱:複合材料 學生:馬永霖 學號老師:吳文海 參考文獻:利用竹碳製作碳化矽/金屬複合材料研究生：林士育 指導教授：林永仁 摘要 本研究的主旨是利用孟宗竹製備多孔碳化矽，再滲透 2024 鋁合金和金屬銅，形成陶瓷/金屬複合材料。首先將竹材在Ar 氣氛中經過碳化處理後，使竹材轉化為竹碳，隨後再添加適當的矽源，形成具有竹材結構的多孔性碳化矽陶瓷材料。在高溫及保護氣氛下，使熔融的金屬熔湯藉由毛細管作用，滲透入多孔碳化矽中，以形成一陶瓷/金屬複合材料。 竹材與其他原生材料及其陶瓷化竹材是由半纖維素、纖維素及木質素所組成，這些成分的熱解溫度皆不相同。碳化期間，各種反應會陸續進行，因此碳化作用的反應條件，如溫度、升溫速率、原料種類、尺寸及含水量等，都會影響竹碳品質。優良的碳化過程，會將竹材內的有機物揮發掉，而完整的保留住竹材所具有的多孔組織，只產生尺寸上的收縮變化。 竹材經高溫熱處理後，可形成竹碳。圖2.1為竹材的TGA分析，其中主要有三個明顯的重量損失範圍，第一階段在130℃以下，由於竹材內部水分的蒸發，所以其重量的損失為水分子的釋放。第二階段則為自發碳化期，自發反應使得碳化自然進行， 反應溫度為230~360℃，由於半纖維素、纖維素、木質素的分解，因此分餾出大量的甲醇與焦油[11]而造成重量的損失。第三階段為碳化材之形成，在溫度大於360℃時，碳化材固體已形成，有固定之碳化量，木質素仍持續的分解而分餾出少量的甲醇與焦油，而使得在重量上持續的下降。 鋁合金滲透碳化矽基材之方法與原理 若要以鋁合金在常壓的狀況下滲透碳化矽，首先要避免鋁湯在高溫的氧化行為。在滲透過程中，主要是藉由材料表面間的溼潤行為及毛細管作用，使金屬滲透入陶瓷基板中。兩物間的wetting 可以分為physical wetting chemical wetting。physical wetting 是固-液相界面以可逆物理力(reversible physicalforce,ex:Van der Waals forces forces/electrostatic attraction)造成潤濕。chemical wetting 是利用化學鍵結(chemical bond)在固-液相的界面發生redox/solution reaction 兩種反應造成的潤濕行為。液態金屬-陶瓷界面(liquid metal-ceramic interface)發生的濕潤現象大多以Young’s equation 來加以描述。 2.1孟宗竹之DTA 圖 實驗流程 竹子的碳化 竹子首先在70℃的烘箱中乾燥24 小時，接著將乾燥完後的竹子在氬氣的保護氣氛下進行碳化，以得到我們所需之竹碳。在碳化過程中為了得到一完整不具裂痕的竹碳，最初需以每分鐘1℃的較慢升溫速度升溫至500℃，接著再以每分鐘5℃的升溫速度升溫至1100℃，並在1100℃持溫4 小時，以使得整個碳化過程完整。竹子經過碳化後，即形成了一具有竹子結構之竹碳，最後將碳化完成後之竹碳加以切割，即得所需之碳材試片。製備碳化矽陶瓷將竹碳與適當比例的矽粉 ( 碳：矽 = 1：3 之莫耳比) 放入石墨坩堝中(如圖3.1)，並在石墨坩堝壁上塗一層脫膜劑 (BN)，在氬氣的保護氣氛下，以每分鐘5℃的升溫速度升溫至1500℃並持溫8 小時，使矽能與碳化合成碳化矽。 滲透金屬 滲透金屬採市售之2024 鋁合金棒與紅銅棒。表3 . 1 為2024 鋁合金之組成成分，主要為鋁 ( 約佔94% ) ，銅含量其次。紅銅則為純銅，純度約為99.99%，表3 . 2 為金屬銅之基本物性。兩金屬棒狀材直徑約為15mm，利用砂輪機切成厚度3.5mm 的圓版塊，以砂紙將表面研磨，除去表面雜質與氧化層，即為滲透用之金屬塊材。 滲透鋁合金 將欲滲透之多孔碳化矽切割成5 × 5 × 3 ( mm3 )後拋光，再將試片置於酒精中以超音波震盪清洗30 分鐘後再以烘箱除去水氣12 小時，並將處理好之鋁合金塊材放在碳化矽陶瓷上方，為突破表面氧化鋁薄膜層，使試片能與鋁熔湯直接接觸，因此外加9KPa荷重於鋁塊上方，擺設好之物件再置入氧化鋁坩堝中並加蓋，裝置示意圖如圖3 . 2 所示。然後將坩堝移至管狀爐內，通入Ar 氣，以防止鋁湯進一步氧化，並以5℃/min 升至900℃持溫2、4、8 小時，而後爐冷降至室溫，除去試片殘留之金屬，即為滲透完成之試片。 ( a ) 橫截面圖 ( b ) 縱切面圖。 圖4 . 1 孟宗竹經1100℃/4hr 碳化後之SEM 圖 ( a ) 橫截面圖 ( b ) 縱切面圖。 圖4 . 3 竹碳混合Si 粉，經1500℃/8hr 在Ar 中熱處理後試片之SEM