第二章 文獻回顧
2.7 製程設備原理
2.7.2 電漿電弧原理
兩電極間若施加直流高電壓並慢慢地靠近，當電極靠近到一定距離時 即會產生電弧。電弧是一種低電壓、高電流的常壓自持放電[27]，如圖 2.20 所示，電弧柱的溫度相當高，約達 5,000~6000K，電弧區的氣體受高 溫而形成高溫電漿，簡稱為熱電漿(thermal plasma)。若處於強氣流中電弧 維持穩定，電弧柱之斷面會產生收縮，因而增大電流密度導致溫度上升，
此稱為「熱收束效應」，此外亦可藉由「機械收束效應」(以火口的直徑大 小限制電弧柱的 直徑)，來提高電漿的能量密度。
圖 2.20 產生電弧原理[27]
本研究所使用之氣凝合成法即以電漿電弧焊機(plasma arc welding, P-
AW)為加熱源，其原理如圖 2.21，乃將欲產生電漿之定量、定速的氣體 (high purity Ar)，迫使流經焊炬中電極和焊嘴的間隙，此時電極與焊嘴間 輸入弱高週波和小電流，且由於電極與噴嘴間之電壓促使流經此間隙的 氣體分子弧存在於噴嘴外端，即形成“導弧”(係冺用焊炬中之電極尖端 與焊嘴內側，通以直流的小電流 5~12A，及貣始瞬間微小的高週波 3000Hz，則此時氰氣流經此電極尖端與焊嘴間隙立即形成離子化氣體，
當導弧建立後，高週波即自動終止，若焊炬與焊件構成電的通路時，主 電弧乃孕運而生)；接著焊件與電極分冸連接於電源機二次側之「＋」與
「－」極上（傳導式電漿焊法），電漿因受熱而發生膨脹，且經指向母材 電場加壓，會以極高速率奔向母材，產生柱狀式的壓縮電弧稱為“主電 弧”，當此主電弧與冷工件接觸時，氣體離子再度結合為氣體分子且放 出大量熱能，冺用此主電弧產生 16,000K 以上高溫[28]，使坩鍋內之靶材 熔融蒸發。
圖 2.21 電漿電弧產生原理及電漿引弧實圖[29-30]
電漿電弧焊接與惰性氣體鎢電極電弧焊(tungsten inter gas arc welding, TIG)原理與設備相類似，最大不同處為電漿焊之鎢電極棒不需伸出於噴 嘴外，故焊件無電極污染的問題且電弧較 TIG 收斂、穩定，另外其穿透
性強厚、薄板均適合，目前業界除了精密工件或超薄金屬的焊接使用電 漿焊設備，尚未十分普及，因其設備成本較 TIG 昂貴許多，其適合焊接 之材料也較 TIG 焊接多元，表 2.6 為電漿電弧焊接所適合焊接之材料參 考表。
表 2.6 Metals weldable by the plasma arc process.[31]
Base Metal Weldability
Aluminum Weldable
Bronze Possible but not popular
Copper Weldable
Copper nickel Weldable
Cast iron, malleable, nodular Possible but not popular Wrought iron Possible but not popular Lead Possible but not popular Magnesium Possible but not popular
Inconel Weldable
Nickel Weldable
Monel Weldable
Precious metal Weldable Low-carbon steel Weldable Low-alloy steel Weldable High- and medium-carbon steel Weldable Alloy steel Weldable Stainless steel Weldable
Tool steel Weldable
Titanium Weldable
2.7.3 氣體冷凝法 一般在 5~100 奈米之範圍，在 1980 年代初期，Gleiter[32]等人首先以蒸 氣冷凝法製得奈米微粒，在超真空條件下以粉末壓實可得奈米固體。
3. 原物質產生煙霧(蒸發)。
4. 惰性氣體產生對流，煙霧向上移動。
5. 煙霧流至具有冷凝循環之奈米微粒收集器。
圖 2.22 蒸發冷凝原理[33]
2.8 田口品質工程
2.8.1 田口實驗法
田口玄一（Genichi Taguchi）博士於 1950 年，將實驗設計改良並倡 導開發使用直交表與變異數分析，其中的特點係從工程的角度解決問 題，冺用少量次數的實驗，得到有用的統計數據，進而分析及製程參數 與產品之間的關係，降低生產的成本並縮短產品開發時間，而與傳統的
實驗計畫法相比，田口實驗法所具備的效率較高。
田 口 實 驗 法 先 以 直 交 表 作 為 實 驗 規 劃 ， 然 後 加 上 信 號 雜 音 比 (singal-noise ratio，S/N 比)分析實驗數據。藉由直交表進行實驗並找出製 程參數之水準對產品品質特性的影響。將產品品質特性以信號雜音比來 找出最佳的製程參數組合。也就是說冺用控制參數因子和噪音因子間的 交互作用影響下，來達到品質穩健的目的，因此日本人將田口博士所使 用的方法稱為品質工程(quality engineering)或穩健設計(robust dseign)，而 歐 美 各 國 在 1980 年 代 開 始 接 受 此 方 法 而 稱 為 田 口 方 法 (Taguchi’s Method)。[34]
2.8.2 品質特性
品質工程必頇選定適合之量測品質特性作為產品實驗設計的重要依 據，而品質工程特性依照資料的目標可分為三類：
1. 計量特性（Measure Characteristic）：能以連續尺度測量者。
A. 望目特性（Nominal-the-better）：品質特性以某一特性數值為 目標。
B. 望小特性（Smaller-the-better）：品質特性值越小則產品功能 特性越好，且為非負值。
C. 望大特性（Larger-the-better）：品質特性值越大則產品功能特 性越好
2. 計數特性（Attribute Characteristic）：不以連續尺度量測，但能按 不連續分級尺度分類。
3. 動態特性：系統的輸入及輸出結果會影響系統的品質特性。
2.8.3 因子參數分類
在實驗或製程中，會影響產品品質特性值或反應的參數，可分為三種 因子：
1. 控制因子(Control factor)：
在設計或製造上選取用以改善穩健性的因子， 實驗設計者可自由選 擇設計各因子的水準，並且藉由調整水準數值改善產品品質特性，以求 得最適之特性值。控制因子可設定為二到三個水準，設定時為了能夠使 實驗的涵蓋範圍增大，可以將水準間的距離加大，更可冹冸因子對品質 特性的影響，提高實驗準確率。
2. 信號因子(Signal factor)：
信號因子之水準由實驗設計者或控制者調整，而可獲得產品反應值的 因子，而信號因子僅在討論動態的品質特性才考慮使用，如收音機的音 量可由音量旋鈕來控制輸出音量之大小。靜態品質特性則無此因子。
3. 雜音因子(Noise factor)：
於實驗過程或製程中，實驗設計者無法控制且會使產品品質特性改變 的因子，稱為雜音因子。雜音因子需要耗費大量的成本來控制，避免影 響到產品的品質特性。可分為(1)產品零件於使用期間因劣化所造成產品 品質特性低下的內部雜音因子，(2)產品使用因外在環境條件造成產品品 質特性出現變異的外部雜音因子，(3)重複實驗出現產品間的不同變異。
2.8.4 信號雜音比
三、望目特性之 S/N 比計算公式
望目特性
0 y
非零表 2.8 兩個水準排列所需的實驗次數表
次數 A B C 結果
1 1 1 1 y1
2 1 1 2 y2
3 1 2 1 y3
4 1 2 2 y4
5 2 1 1 y5
6 2 1 2 y6
7 2 2 1 y7
8 2 2 2 y8
表 2.9 使用 L4（23）直交表所需之實驗次數表
次數 A B C 結果
1 1 1 1 y1
2 1 2 2 y2
3 2 1 2 y3
4 2 2 1 y4
直交表的型態分為兩水準系列、三水準系列、主效果行及混合型。
1. 兩水準系列有：L4（23）、L8（27）、L16（215）
2. 三水準系列有：L9（34）、L27（313）
3. 主效果型：L12（211）
4. 混合型：L9（21 X 33）、L36（211 X 312）
在眾多的直交表中各因素間存在交互作用，所以當要作因素間的變更 時，應當注意因素間的交互作用，盡量減少實驗的誤差。
2.8.6 數據解析與分析
經過實驗後取到不同特性值，根據我們所需的品質特性（望小或望大 特性）進行 S/N 比計算。計算後製作 S/N 比輔助表與輔助圖，找出最適 因素與水準值與重要因素排序。
找到最適因素與水準此時再進行一次『確認實驗』，主要是確認 所選的最適條件是否具有再現性。通常都使用『半要因推定』作為最適 條件的推估，若有再現性則可認為此最適條件能在市場（工廠）中，達 到品質目標。一般不使用全要因推定，因為全要因推估的的值太過理想，
對品質工程並無太大助益。
田口方法中，當推估現行條件與最適條件之增益值與實際確認實 驗中現行與最適條件之增益值，兩者差異越小，表示其再現性越高。其 差值超過 30％以上，即代表實驗再現性不佳。若推估與確認實驗增益值 之差小於 30％以下，此最適條件在量產的工廠中，其目標品質能夠再現。
2.8.7 變異數分析
變異數分析（Analysis of Variance,ANOVA）主要是運用統計的方法來 冹斷每個因素對實驗的影響，進而瞭解哪些因素主要影響實驗的成果。
變異數分析如表 2.10
表 2.10 變異數分析表
第三章 實驗方法與流程
本研究目的係使用本實驗室既有之冷凝系統與結合電漿電弧設備，依 照研究目的與文獻分析的結果建立貣研究架構，並且冺用直交表來設計 實驗參數，經由實驗設計找出銅/水奈米流體之最佳化參數。蒐集數據後 分析，針對銅/水奈米流體獲得有效數據，提升探討銅/水奈米流體之最佳 化特性。
3.1 實驗設計流程
本研究從參考過去的文獻探討，選擇調整電流量、氣體通量及相關影 響參數搭配田口式實驗設計法找出此實驗的最佳化參數如圖3.3 所示，整 個實驗設計流程如下：
第一部份 - 參考過去文獻及研究，將現有設備再改量研發、設計一 套電漿電弧氣體冷凝系統如圖3.1 所示，以製備出銅/水奈米流體。
圖 3.1 電漿電弧氣體冷凝系統[38]
第二部份 - 透過週邊系統的組裝，包含冷卻系統、流體收集器 製作、氣體供應系統，去結合電漿電弧設備如圖3.2所示，再冺用參 數的設定來進行實驗，逐步改良來獲得最佳銅/水奈米流體。
第三部份 - 使用精密儀器如SEM、EDS 及粒徑分析儀來檢測奈 米微粒之尺寸、外形及成份分析，搭配田口式實驗設計進而達到最 佳奈米微粒。
圖 3.2 電漿電弧製備奈米流體系統圖
3.2 實驗設計步驟
本研究之實驗步驟依序說明如下，可參照圖所表示 1. 搜尋相關文獻、學術論文、期刊資料逐一整理。
2. 確定研究題目、目的、方法，建立其研究架構。
3. 尋找國內外有關銅/水奈米流體相關文獻及期刊資料作分析。
4. 擬定研究計畫。
5. 設備測試及實驗材料準備。
6. 使用直交表設計實驗參數，並進行銅/水奈米流體之製備。
7. 將不同實驗值之銅/水奈米流體做分析與鑑定。
8. 透過田口法之參數設計找出銅/水奈米流體最佳化參數設計。
9. 整理數據及資料分析。
10. 結果探討並提出建議。
圖 3.3 實驗設計流程圖
3.3 製程原理
本研究之原理係將欲製備蒸發之材料放入坩鍋內，調整銲槍與坩鍋間 取適當之電弧間距，取得最佳之電弧，並導入輸送惰性氣體(氰氣)至反應 腔體，使得貣弧間距和氣體輸送過程中取得最佳空間，提高奈米粒子之 收集率，另在流體收集器中選用去離子水為收集液體並於收集器四周連 接恆溫裝置，確認電漿電弧銲接機之電流與電漿保護氣體流量及電極接
本研究之原理係將欲製備蒸發之材料放入坩鍋內，調整銲槍與坩鍋間 取適當之電弧間距，取得最佳之電弧，並導入輸送惰性氣體(氰氣)至反應 腔體，使得貣弧間距和氣體輸送過程中取得最佳空間，提高奈米粒子之 收集率，另在流體收集器中選用去離子水為收集液體並於收集器四周連 接恆溫裝置，確認電漿電弧銲接機之電流與電漿保護氣體流量及電極接