實驗自評與建議

為對本文所獲得的實驗結果作一自評並對日後提出改良建議。

第二章形狀記憶合金簡介 2.1 前言

形狀記憶合金( Shape memory alloys, SMAs )由於擁有熱彈型麻田散體變態的特性( Thermoelastic martensitic transformation )，因此可以利用溫度的改變誘發相變態而獲得形狀記憶效應( Shape memory effect, SME )，或者是施加外應力使應力誘發相變態而產生超彈性( Pseudo-elasticity, PE 或 Super-elasticity )的行為。

本章將針對這兩種重要效應作一些介紹。

會隨著麻田散體量增加而上升並儲存於材料內部；在逆變態的過程中，彈性自由能會隨著溫度的升高而可逆地釋出成為逆變態過程的驅動力。因此熱彈性行為即是變態過程中化學自由能與非化學自由能之間的局部平衡狀態。

在熱彈性麻田散體變態中，界面移動的摩擦力是材料內部作功的主要部分，

因此其溫度遲滯( Temperature hysteresis )相當小，以 AuCd 合金為例，其溫度遲滯(以 As與Ms的溫度差表示)大約只有 16℃左右；然而在非熱彈性麻田散體變態需的驅動力( Transformation driving force )小。

(2)變態過程中體積的改變量小，表示母相與麻田散體相在調節不同體積的過自我調適( Self-accommodation )的麻田散體。也就是說母相在生成單一麻田散體時，會因為單方向的剪切效應而產生大變形，為了降低此形狀的應變，在降溫的

C、D 四種兄弟晶( Variants )在經過自我調適機制後，各自因降溫所產生的應變量可以相互抵消，巨觀上材料的外型幾乎沒有任何改變。

在第二階段中，麻田散體因施加適當大小的外力而變形，此變形與一般金屬變形的機制不同，一般金屬的變形機制是滑移( Slip )，而形狀記憶合金則為麻田散體中各個兄弟晶間合併的調適機制(Variants rearrangement)，因此可以產生有相當大的變形。散體相變態( Stress induced martensite, SIM )。該變態行為所伴隨的變形量較一般金屬彈性變形大，故又可稱之為超彈性( Superelastic )效應。在圖(2-3)[12]中表示超彈性與形狀記憶效應存在的範圍，其存在區域隨著材料之臨界滑動剪應力(σs)

反應；當溫度介於Ms與Md的區間內，形狀記憶合金會有SIM 的現象產生，此時形狀記憶合金具有超彈性效應的應力應變曲線；當溫度高於Md時，其應力應變行為就如同一般材料，母相只會產生一般塑性變形的應力應變關係。圖(2-5)[20]

說明一般金屬材料與形狀記憶合金的SME、PE 之差異處。

2.4 Ti-Ni 合金之晶體結構

Ti-Ni 二元合金系統之平衡相圖如圖(2-9)[43]所示，此二元材料系統中，主要有三種介金屬化合物，包括了Ti2Ni、TiNi、TiNi3三種相，分別位於相圖中富鈦、

鈦鎳比接近以及富鎳的區域。其中等原子比的Ti-Ni 合金具有形狀記憶與超彈性特性，其晶體結構在高溫母相時為 CsCl 型體心立方結構(B2)，如圖(2-10)[37]所示，晶格常數為a = 3.012Å；在低溫的麻田散體相時為單斜晶體結構( Monoclinic structure, B19’ )，晶格常數為 a = 2.883Å、b = 4.121Å、c = 4.609Å、β=96.54°[7]。

基本上Ti-Ni 形狀記憶合金的變態順序是 B2ÙM，若經由一些不同的方式處理，例如：(1)改變 Ni 的含量；(2)時效處理；(3)熱循環，其變態順序將變成 B2ÙRÙM。R 相變態產生與否取決於合金的 Ms與 TR(R 相變態溫度)的溫度，

若是在Ms＞TR的情況下，只有B2ÙM 的變態行為；若經由熱機處理抑制 Ms的上升，使得Ms＜TR，則會有B2ÙRÙM 二階段的變態行為產生。

2.5 結論

就形狀記憶效應而言，若材料的 Mf高於室溫，則在室溫下材料即為麻田散體，因此可以在室溫下加壓使材料變形，再加溫到 Af使材料變態為沃斯田相並且恢復到原來的形狀，然後自然降溫到室溫回復成麻田散體相，完成形狀記憶效應的循環，這樣的優點在於循環過程中可以不必使用冷卻設備，在實際應用上會比較方便。以下微型幫浦的設計部份，即利用Ti-Ni 合金的形狀記憶效應來實現。

第三章形狀記憶合金薄板特性量測給，量測中間兩點的電壓值，如圖上所標示。電源供給使用的是 Agilent 6625A 的電源供應器，電位量測使用的是Agilent 33410A 的三用電表，整體架構如圖(1-c) 所示。

步驟四：開始加溫，記錄每個溫度相對應的電壓值。為AMETEK PPCE-15-Bar 型的標準壓力計，如圖(3-16)所示。以蓄壓缸，如圖(3-15) 所示，來擴充壓力頭並利用壓力計來調節輸入壓力的大小，可以大為降低壓力洩微鏡鏡頭座的下方，如圖(3-18)所示，其中分釐卡每格為 10μm。實驗方式為先

共100 格後，改將物鏡轉下降，再轉動 10 次，共 100 個格，以顯微鏡格數為橫

3.3.1 實驗步驟

52μm，50μm，直徑為 3cm 的薄板來分析，在 0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、

0.2MPa 下，中心點垂直方向的位移值。分析元素選用 Shell-63，在本文中楊氏係數選用15GPa、20GPa、25GPa、30GPa、35GPa、40GPa、45GPa、50GPa、55GPa、

60GPa、65GPa、75GPa，波松比為 0.3，使用網格點，如圖(1-l)所示，又因為我們欲分析的元素為一圓形，故可以利用圓形上下左右對稱的特性，取其左上角四分之一的體積來進行分析，可以大量簡化計算量與計算時間，因此在選取邊界條件時就必須格外的注意，在靠近中心處的兩個面，除了必須分別限制X 方向與 Y 方向的位移量為零外，另外必須分別限制Z、Y 方向與 Z、X 方向的旋轉自由度為零，在最外圍的一環，是薄膜被外徑3cm 內徑 2cm 的夾具夾住的部份，所以

如此才能符合此板實際的行為。圖(1-n)為 ANSYS 分析 54μm 薄膜，楊氏係數為 25GPa 受壓力 0.2MPa 時的結果，為一典型的分析結果。另外值得注意的是，我們的分析是採用非線性的大變形分析，在ANSYS 軟體中，分析非線性問題時，

需要一系列帶校正的線性近似來求解，ANSYS 分析軟體會利用牛頓-拉普森(NR) 平衡迭代迫使在每一個載荷增量的末端解達到平衡收斂，進而獲得收斂解。

3.4.2 實驗步驟

步驟一：先將薄板加至定溫。

步驟二：逐漸將壓力加至0.2MPa，並記錄與壓力相對的變形量，繪製成壓力與變形量的關係圖。

步驟三：以ANSYS 軟體，模擬出適當的楊氏係數以符合所繪製的關係圖。

步驟四：反覆以不同溫度，由低漸高，重複步驟一至步驟三，最後由圖形找出母相變態開始及結束的溫度As、Af。

步驟五：將溫度加至100^oC，待其冷卻至定溫。

步驟六：逐漸將壓力加至0.2MPa，並記錄與壓力相對的變形量，繪製成壓力與變形量的關係圖。

步驟七：以ANSYS 軟體，配合出適當的楊氏係數以符合所繪製的關係圖。

步驟八：反覆以不同溫度，由高漸低，重複步驟五至步驟七，最後由圖形找出麻田散體相變態開始及結束溫度Ms、Mf。

第四章形狀記憶合金薄膜特性量測 Calorimeter)DSC 量測是使用 Dupont 公司所產 2000 型熱分析系統的 910 DSC cell 來量測。量測的試樣裝於純鋁作的小盒內(aluminium pan)，加熱與冷卻的速率控制在 10℃/min，溫度的範圍在-20℃~200℃，帶動氣體為氮氣。數據分析採取峰值溫度，變態點起始溫度使用切線外插法(tangential extrapolation method)求得，

如圖(3-1)DSC 主要用途為在一控制溫度的程序下，測量樣品的熱轉移溫度，也

4.3 試片成份控制

利用面積和濺鍍產額( sputtering yield )的關係來調整所需成份，由於磁控濺鍍法是轟擊靶材上的一個圓環區域的原子，因此主要添加的元素應置於圓環上，

於定量的分析精確度比較差。如果需要更精確的成份定量分析，則需要使用 EPMA，將再下一節介紹。

2. EPMA

儀器名稱為電子微探分析儀，Electron Probe X-ray Microanalysis, EPMA，最早由J. Hillier 於 1947 年提出，利用ㄧ束極細小的聚焦電子束打在欲分析的試樣

銅靶的特性波長為0.1542nm，操作電壓為 30KV，電流為 20mA，掃瞄速度為 0.05 度/秒，所取的繞射角度 2θ 介於 20 度至 80 度之間。將晶片由左至右以鑽石刀切割為約2cm×1cm 大小的長方形，如圖(3-5)所示，一共取 7 片試片，一一放入載

受測晶片，經XRD 進行分析可得 X-Ray 繞射圖如圖(3-6)所示。圖中低強度 4000rpm，45 秒。由於晶片背面為非金屬層，所以在上光阻前需將晶片置於保鮮盒內，滴入HMDS 溶液 2∼3 滴使其揮發後佈滿晶片，以增加光阻的附著度。

照射的部分清除，Az-4620 的顯影劑為 MF319 Developer 顯影劑。若顯影完成後，

將薄膜試片置於一U 型拖架上，該托架尺寸 11mm×9mm×3mm，如圖(3-10)、

(3-11)，托架下方有一小孔可供壓力輸入，使薄膜受壓力而有較大的變形行為產生。

為了讓壓力能夠均勻的作用在薄膜上，再薄膜與托架之間置入一壓克力墊片並以AB 膠固定，如圖(3-12)，尺寸為 9mm×7mm×1mm，中央圓孔直徑為 3.5mm。

置入墊片的目的為二：(1)可以使薄膜不至因為托架底部不平而破壞，(2)提供一氣密室，使壓力均勻分布於墊片中央圓孔。

試片尺寸為1500µm×1500µm×1µm，以 0.5MP 為單位向上增加進行加壓試驗並觀察薄膜中央點變形，最大壓力負載為0.3Mpa。

為了提供穩定的壓力源，我們使用鋼瓶的氮氣作為主要的氣體來源，氮氣流出鋼瓶後，經過一蓄壓缸，如圖(3-15)，再連接至壓力計上，我們所使用的壓力計為AMETEK PPCE-15-Bar 型的標準壓力計，如圖(3-16)所示。以蓄壓缸，來擴充壓力頭並利用壓力計來微調輸入壓力的大小，如此可以降低壓力洩漏時壓力值

4.4.10 實驗步驟

步驟一：加溫至鈦鎳薄膜溫度至100oC 使薄膜為沃氏田態

步驟二：慢慢將壓力增加至0.1MPa 並紀錄其變形量

步驟三：將薄膜以液態氮降溫至麻田散態並記錄薄膜中央的變形量

步驟四：重覆步驟二，並將壓力以0.05MPa 為單位慢慢增加至 0.3MPa，並紀錄薄膜中央變形量

步驟五：以壓力為縱軸，變形量為橫軸，畫出壓力-變形量的關係

第五章鈦鎳微型幫浦設計與製程

positive positive

p ρ v

negative negative

p ρ v

positive positive positive

v = ∆ p ρξ

(3-3)

( ² )

^{1 2}

negative negative negative

v = ∆ p ρξ

(3-4) 擴散器正負方向的體積流率為

positive

A

positive

v

positive

φ = ×

(3-5)

negative

A

negative

v

negative

φ = ×

(3-6)

其中

A

_positive與

A

_negative為擴散器正負方向最窄的面積，故

A

_positive

= A

_negative

= A

^，則

(3-5)(3-6)可改寫為

positive

A v

positive

φ = ×

(3-7)

negative

A v

negative

φ = ×

(3-8)

將(3-3)(3-4)式代入(3-7)(3-8)中，則擴散器正負方向的體積流率可改寫為

( ² )

^{1 2}

positive

A p

positive positive

φ = ∆ ρξ

(3-9)

( ² )

^{1 2}

negative

A p

negative negative

φ = ∆ ρξ

(3-10)

K 1

2

^upstream

p ρ u

∆ =

(3-14)

其中ρ為流體密度，

u

upstream為入口之平均速度。由(3-1)(3-2)與(3-14)可以得到 K 與

ξ

的關係為

K

^throat

upstream

in diverging converging out

throat in diverging converging out

p p p p

total in diverging converging out

ξ = ξ + ξ + ξ

(3-19) 我們可以先從圖表上找出各部份的損失系數K，再藉由(3-15)的關係式找到該部份的壓力損失係數

ξ

。

為了使擴散器有最佳的效果，則η值要越大越好，所以在正方向的部分將入

在文檔中形狀記憶微泵的模型、特性與製程之開發研究(3/3) (頁 21-151)

p ρ v

p ρ v

v = ∆ p ρξ

( 2 )

v = ∆ p ρξ

A

v

φ = ×

A

v

φ = ×

A

A

A

= A

= A

A v

φ = ×

A v

φ = ×

( 2 )

A p

φ = ∆ ρξ

( 2 )

A p

φ = ∆ ρξ

K 1

2

p ρ u

∆ =

u

ξ

K

p p p p

ξ = ξ + ξ + ξ

ξ

( ² )

( ² )

( ² )