孔係率量測

以試片N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)以及圖 4.2 為例子說明，利用分 析軟體將每一個孔洞編號並計算出每個孔洞直徑(diameter)以及每個孔洞佔

整體的比例(pore ratio)，pore ratio 的計算方式是計算單一孔洞佔整張 SEM 圖的面積比例，所有孔洞的總和即是孔隙率，如表4.2 所示，共有 236 個孔 洞，孔徑範圍從 20.88nm 至 53.91nm，這是由於試片表面有大小不一的孔 洞，造成範圍變化很大，平均值為40.24nm 表示試片 N1 的平均孔徑大小，

而在孔洞比例(pore ratio)一欄中可以看出最小的孔洞比例為 0.02%而最大為 0.14%，236 個孔洞總和為 19.19%，表示這個試片的孔隙率為 19.19%，而 每一種試片會採用三張不同的SEM 圖進行孔隙率的計算，取平均值得到平 均孔隙率。另外影像分析軟體也可以將孔徑大小作成長條圖的分布，如圖 4.15 所示，可以看出孔徑大小主要分布在 40 幾奈米。

AAO 厚度量測採用 SEM 拍攝整體試片厚度，將試片以剖面的方式拍 攝，採用低倍率擷取影像並將影像用分析軟體量測厚度，如圖 4.16 所示，

為試片N8(厚度 79.31.μm)的低倍率剖面示意圖。

將試片N1 至 N8 不同陽極處理時間的 AAO 進行孔隙率的計算以及厚度 的量測，如表4.1 所示，試片 N1(陽極處理時間 5 小時)為最低的厚度 39.93μm 且孔隙率也為最低的19.6%，而試片 N8(陽極處理時間 12 小時)則具有最高 的厚度值79.31μm 以及最高的孔隙率 35.4%，隨著陽極處理時間的增長，

厚度會隨之增大，表示反應時間越久AAO 厚度越厚，但孔隙率則是隨著時 間增長而增大，所以孔壁會相對變薄，同樣由之前的SEM 圖可以觀察到這 種現象。

試片N9 至 N11 的孔隙率量測如表 4.1 所示，並且與同樣陽極處理 7 小 時的試片N3(厚度 56.93μm 孔隙率 22.7%)進行比較。首先，厚度變化不大，

因此將擴孔處理視為不會影響到AAO 的厚度，更方便進行比較。其次，孔 隙率受到擴孔處理的影響，N9(擴孔 20 分)孔隙率為 23.9%高於 N3(未擴孔) 的22.7%，而 N10(擴孔 40 分)以及 N11(擴孔 60 分)各具有更高的孔隙率 32.6%以及 51.7%，N11 試片雖然只有陽極處理 7 小時，但是經由擴孔處理 可以造成孔隙率大於N8 試片(陽極處理 12 小時，孔隙率 35.4%)，表示即使 試片厚度不厚，可以利用擴孔處理達到所需的孔洞大小。

試片N12 至 N14 的孔隙率計算如表 4.1 所示，試片 N12 反應時間 8 分 鐘即可達到阻障層開孔，多孔層孔隙率為25.0%且阻障層孔隙率為 19.7%，

多孔面在溶液中浸泡也會受到些許侵蝕。當到達反應時間16 分鐘時，試片 N14 阻障層的孔洞大小已經超越多孔面的孔洞，多孔面的孔隙率為 27.4%而 阻障層的孔隙率高達39.6%。

4.2 厚度與孔洞對機械性質的影響

由於製程的不同會造成AAO 試片有不一樣的參數變化，因此將機械性 質的討論分成三大類，第一類為 N1 至 N8 試片，討論厚度以及孔洞兩者同 時變化對機械性質的影響；第二類為N9 至 N11 試片，討論擴孔處理只改 變孔隙率這個參數對機械性質的影響；第三類為N12 至 N14 試片，討論破 壞阻障層造成雙邊開孔對AAO 機械性質的影響。每一種試片的測試數量為

6 至 10 片，以取平均的方式計算彎曲應力以及彎曲係數。

三點彎曲的受力方式有兩種，在實驗方法中已經有提到，如圖3.9 所 示，分為阻障層受壓應力以及多孔面受壓應力。

4.2.1 多孔面受壓應力

首先討論多孔面受壓應力的情況，針對N1 至 N8 試片以多孔面受壓應 力做三點彎曲時，發現試片有不同的現象發生，N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)至 N4(厚度 66.31μm 孔隙率 26.0%)試片的可撓度很大，能夠承受應 力至很嚴重的變形量也不發生破斷，如圖4.17 所示，三點彎曲試驗已經到 達夾具的最底部，AAO 試片仍完整，而且當夾具移開之後，AAO 試片可以 恢復至原本平坦的形狀，並沒有發生任何的變形。由一般的材料機械性質 可以知道，當外力移去之後，試片可以恢復成零應變量的狀態，表示試片 呈現彈性變形[58]。但是必須要注意到一點，圖 4.17 的試片變位量到達 10mm，且三點彎曲的支點已經嚴重偏移，支點偏移會造成機台測到的應力 值下降，以試片N3(厚度 56.93μm 孔隙率 22.7%)的力-變位量關係圖做說明，

如圖4.18 所示，試片 N3 多孔面受到壓應力時，變位量到達 10mm 仍不會 發生破斷，但是變位量約4mm 之後可以發現曲線斜率開始下降趨於水平，

約5 至 6mm 左右到達最大外力值，最後外力值下降，但是試片並未破斷，

所以表示這並不是塑性變形，是支點移動造成機台測到的外力值下降。

至於試片N6(厚度 73.73μm 孔隙率 30.2%)至 N8(厚度 79.31μm 孔隙率

35.4%)和先前討論的狀況不同，試片會發生破斷，同樣比較力-變位量關係 圖，如圖4.19 所示，試片 N6(厚度 73.73μm 孔隙率 30.2%)破斷時的變位量 高達7mm，表示有發生支點偏移，但是試片仍無法承受目前的外力，導致 發生破裂；而試片N7(厚度 76.87μm 孔隙率 31.9%)以及 N8(厚度 79.31μm 孔 隙率35.4%)幾乎是在彈性變形區域中發生破斷，雖然兩者的變位量皆有超 過4mm，但是從力-變位量的圖觀察可以發現，支點雖然有發生些許偏移，

但是外力的持續上升已經到達試片的臨界點，使得破斷發生，曲線也幾乎 是線性關係，非常符合脆性材料的應力-應變曲線圖。

然而試片N5(厚度 69.29μm 孔隙率 27.2%)正好介在未破斷以及破斷兩 種現象之間，實驗結果發現部分試片具有高的變位量仍不破斷，但另外一 部份的試片則有類似試片N6(厚度 73.73μm 孔隙率 30.2%)的破斷模式，支 點偏移之後才產生破斷。

綜合上述的發現，未破斷或是支點偏移後才破斷的試片N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)至 N6(厚度 73.73μm 孔隙率 30.2%)具有不錯的可撓 度，可以承受6mm 以上的變形量，推測是由於試片的厚度較薄(由表 4.1 得 知厚度約74μm 以下)，使得 AAO 具有與一般大尺度陶瓷材料不同的可撓 性；而N7(厚度 76.87μm 孔隙率 31.9%)以及 N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%) 試片則與一般的脆性材料相似，線性的力-變位量關係圖。但是除了厚度變 化之外，N1 至 N8 試片仍有一項參數在變化，就是孔隙率，為了確定孔隙

率是否造成破斷的影響，必須藉由擴孔處理的實驗進一步驗證。

4.2.2 阻障層受壓應力

先前的討論都是圖3.9 的多孔面受壓應力，接下來為試片反置，討論阻 障層受壓應力的情況。結果和先前完全不同，試片N1 至 N8 全部都會破斷，

而且都只有一條破斷線，位於試片的中央，如圖4.20 所示，表示應力集中 於破斷線上。除此之外，從圖4.21 力-變位量的關係圖觀察，發現幾乎所有 試片皆為線性的曲線，原則上為越厚的試片變位量越小且外力越大，反之 越薄的試片變位量越大且外力越小，所以N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%) 試片只需要極少的變位量即可發生破斷，符合一般的陶瓷材料特性，而 N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)試片厚度最薄，所以可撓度高，變位量甚至 超過4mm 到達支點移動區域，不過整體仍是線性的曲線。另一個現象是，

這幾個試片的曲線越接近破斷點，所測到的外力數值都會上下起伏，表示 破斷發生前試片有發生變化，可能為試片變形造成數值浮動。

4.2.3 彎曲應力與彎曲係數

三點彎曲的量測結果如表4.3 所示，當多孔面受壓應力時，N1 至 N8 試 片所測到的彎曲應力值呈現遞增的情形，從N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%) 的194.43MPa 遞增至 N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)的 324.85MPa，表示 不同陽極處理時間所生成不同厚度以及孔洞大小的AAO，會對彎曲應力造 成影響，以N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)試片為例，陽極處理時間最長

使得厚度最厚且孔隙率最大，測得的彎曲應力值大於其他較短陽極處理時 間的AAO 試片，因此可以推測厚度或是孔隙率對彎曲應力有一定的影響。

而阻障層受壓應力時，彎曲應力有兩個不同點發生，首先彎曲應力不再隨 陽極處理時間遞增，而有些微下降的趨勢，由N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%) 的189.90MPa 下降至 N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)的 127.46MPa，其次 阻障層受壓的彎曲應力皆小於多孔面受壓，例如N5(厚度 69.29μm 孔隙率 27.2%)試片阻障層受壓應力時測到 175.48MPa，小於多孔面受壓應力的 277.26MPa，相同的試片當阻障層受壓應力時會測到較低的應力值，這個結 果和之前的J. H. Jeon 等人[48]所做的研究相反，J. H. Jeon 的實驗結果顯示 阻障層受壓應力所測到的彎曲應力約230MPa，大於多孔面受壓應力的 160MPa，他認為原因是因為阻障層此時正受到張應力，阻障層有許多的缺 陷使得破裂容易產生，下一節會針對這個現象進行討論。

三點彎曲實驗的彎曲係數如表4.3 所示，彎曲係數的變化範圍在 65 至 80GPa，不管是哪種受力方式都落在這段區間，不受試片擺放方式的影響，

而且陽極處理時間對彎曲係數的影響也不大，看不出明顯的趨勢，表示AAO 試片的厚度以及孔隙率甚至結構的差異對彎曲係數的影響並不明顯，需要 更進一步的研究。

針對本實驗的結果，與其他不同製程的氧化鋁進行比較，如表4.4 所示 [38,44,45,48,50,59-62,]，可以發現製程不同對氧化鋁的機械性質影響很大，

不一樣的製程會產生不同的機械性質，而且機械性質的測量方式也會影響 到所測得的結果，奈米硬度以及三或四點彎曲得到的結果也有差異，不管 是彎曲應力或是楊氏係數，數值變動相當大。即使同樣是由陽極處理製備 的 AAO，機械性質的測量結果也會有所不同。AAO 為非晶質(amorphous) 的氧化鋁，與一般塊材或是其他製程中的結晶態氧化鋁不同，再加上AAO 中有雜質的影響，使得機械性質會低於理論值許多，即使將AAO 進行熱處 理變為結晶態，對 AAO 的強度提昇仍是有限的[45]。一般塊材的楊氏係數 值約 370GPa[50]，任何不同製程的氧化鋁皆無法到達理論值的大小。奈米 級尺度對機械性質產生的影響可以由AAO 明顯的觀察到，至於孔係率對機 械性質的影響，利用下一個部分擴孔處理的研究可以得到結果。

針對本實驗彎曲應力的現象，提出以下的理論作解釋，首先多孔面受壓 應力且阻障層受張應力時，如圖3.9(b)所示，N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%) 至N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)試片彎曲應力有遞增的現象。一般的陶 瓷材料抗拉強度低於抗壓縮強度[23]，因此三點彎曲的破裂決定起點通常都 是受拉應力的面，當受拉應力的表層無法承受更大的應力時，就會產生破

針對本實驗彎曲應力的現象，提出以下的理論作解釋，首先多孔面受壓 應力且阻障層受張應力時，如圖3.9(b)所示，N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%) 至N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)試片彎曲應力有遞增的現象。一般的陶 瓷材料抗拉強度低於抗壓縮強度[23]，因此三點彎曲的破裂決定起點通常都 是受拉應力的面，當受拉應力的表層無法承受更大的應力時，就會產生破