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 斷，所以當試片擺放方式如圖3.9(b)，阻障層受張應力為破裂決定處，之前 的討論有提到N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)至 N6(厚度 73.73μm 孔隙率 30.2%)試片可撓度不錯，有很大的變形量甚至造成支點偏移，這表示這些 試片可以利用試片產生彎曲變形減低彎曲應力的提升，而阻障層的緻密結

構仍然可以承受此時的彎曲應力，但隨著試片厚度提升至N7(厚度 76.87μm 孔隙率31.9%)以及 N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)的程度時，厚度提升導 致可撓度降低，因此不能再藉由試片變形降低彎曲應力的提升，所以彎曲 應力值提升至阻障層的承受極限值之後，破斷便從阻障層發生，這就造成 了越厚的AAO 試片有越高的彎曲應力值，同時可以用之前討論的圖 4.19 來佐證，厚度較厚的試片N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)有較高的外力值，

但變位量卻低於其他試片，可撓度降低造成應力值提升以及變位量下降。

因此當阻障層受張應力時，試片的厚度影響可撓度以及彎曲應力值的大 小。因此做出彎曲應力與厚度的關係圖，如圖4.22，當阻障層受拉應力，

試片厚度的影響比多孔層的孔洞重要，呈現線性正相關。

接著討論試片反置如圖3.9(a)的情況，阻障層受壓應力且多孔面受張應 力，此時破裂決定的平面為多孔面，試片N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%) 至N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)反應出的彎曲應力值卻不如先前討論，

反而呈現下降的趨勢，以先前的圖4.20 以及 4.21 做解釋，所有試片都是脆 性破斷，試片隨著應力增加而變形，到達極限便發生破斷，沒有發生支點 偏移，可撓度也較低，原因就是受張應力的多孔層，多孔層和阻障層不同，

多孔層具有無數的小孔洞，孔洞的數量及面積遠大於阻障層表面的缺陷，

因此多孔層為了抵抗張應力只能依靠薄弱的孔壁，很明顯多孔層無法像阻 障層利用緻密的結構抵抗張應力，而且此時受壓應力為阻障層，阻障層為

緻密結構，沒有孔洞提供變形的空間，阻礙試片的變形，所以試片在很低 出AAO 屬於線性彈性破斷機制(linear elastic fracture mechanics)，而這種破 斷機制是由Inglis 以及 Griffith 在 1913 年以及 1920 年提出的[63-65]，Griffith 利用圖4.24(a)推導出材料的破裂強度