破斷面分析

為了更進一步了解AAO 的破裂情形，以 SEM 觀察試片破斷面的結構，

主要分為兩種方式，第一種是試片表面的觀察(plane view)，觀察試片破裂 處的多孔面以及阻障層，了解破裂的形貌是否有任何變化產生，第二種是

試片剖面的觀察(cross-section view)，觀察破裂發生處的縱剖面。

針對多孔面受壓應力的部分，N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)至 N6(厚 度73.73μm 孔隙率 30.2%)為不會破斷的試片，在三點彎曲實驗之後試片會 恢復至原本的形貌，並沒有捲曲變形現象發生，而以SEM 觀察也未發現三 點彎曲支點施壓造成任何變形，不管是多孔面或是阻障層都找不到被支點 施壓變形的跡象。而N7(厚度 76.87μm 孔隙率 31.9%)以及 N8(厚度 79.31μm 孔隙率35.4%)試片會發生破斷，以 N8 試片的破斷面分析做解釋，圖 4.25 為阻障層的破斷邊緣平面圖，阻障層受到張應力的影響是破裂發生的起 點，圖中箭頭所指處為一可能的破斷起始點，阻障層剝落露出內部的多孔 結構，圖4.26 為破斷面的縱剖面圖，圖 4.26(a)很明顯可以看出試片為脆性 破斷，左半邊為靠近多孔表面的部分，AAO 的孔洞比較筆直，右半邊的部 分靠近阻障層比較紊亂，將倍率放大觀察多孔面的區域，如圖4.26(d)所示，

多孔面並沒有因為受到壓應力產生嚴重變形，仍然維持原本的多孔特性。

而阻障層受壓應力時，先前的討論得知N1 至 N8 試片皆會發生破斷，

因此挑出N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)、N3(厚度 56.93μm 孔隙率

22.7%)、N5(厚度 69.29μm 孔隙率 27.2%)及 N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%) 試片的破斷面進行分析，圖4.27 為試片 N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)的 破斷面分析，圖4.27(a)很明顯看出破斷裂紋穿過六角形晶胞並將其分為兩 部分，裂紋並不一定會沿著六角形晶胞壁的界面破斷，圖4.27(b)的高倍率

影像更明顯看出上述的現象。而受到壓應力的阻障層，如圖4.27(c)及(d)所 示，可以看出破裂線也沒有沿著晶胞壁前進，符合多孔面的現象，在(b)以 及(d)圖中可以發現破斷面有些許的層狀現象，可以觀察到下層的孔洞出 現，這就表示破斷發生時，裂縫的前進並不會順著單一晶胞從多孔面往阻 障層延伸，理想的破斷延伸如圖4.4 的示意圖所示，從試片多孔面觀察並不 會發現下方的層狀結構，且剖面圖會觀察到筆直的孔洞，但從實驗結果發 現平面SEM 圖可以觀察到下層的孔洞，表示裂縫的前進並非筆直延伸。

圖4.28 為試片 N3(厚度 56.93μm 孔隙率 22.7%)的可能破斷起點 SEM 圖，在多孔層的破斷線上可以發現有較大的缺陷存在，由於AAO 為非晶質 材料，沒有晶界的缺陷，因此一般破斷都會由孔洞缺陷發生。圖4.29 為試 片N5(厚度 69.29μm 孔隙率 27.2%)的破斷面，和其他試片的特徵一樣，圖 4.29(a)多孔面的破斷邊緣，裂縫穿過晶胞，圖 4.29(b)阻障層呈現不規則破 裂，破斷邊緣呈現階梯狀，圖4.29(c)及(d)縱剖面圖的不連續管壁也可以驗 證階梯狀結構。圖4.30 為試片 N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)的破斷邊緣 SEM 圖，為阻障層的破斷邊緣，破斷邊緣仍然是不規則的，也可以看出有 階梯狀的破斷。

4.3 擴孔處理對機械性質的影響

為了確定孔隙率對機械性質的影響，針對N3(孔隙率 22.7%)試片進行擴 孔處理，產生N9(孔隙率 23.9%)至 N11(孔隙率 51.7%)不同條件的 AAO 試

片，為了討論對機械性質的影響，分為多孔面受壓應力以及阻障層受壓應 力兩種情況。

4.3.1 多孔面受壓應力

多孔面受壓應力時，試片N9(孔隙率 23.9%)至 N11(孔隙率 51.7%)的實 驗結果發現仍然不會發生破斷，和先前討論的N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)至 N4(厚度 66.31μm 孔隙率 26.0%)有一樣的現象，變位量到達 10mm 試片仍不會斷裂，觀察力-變位量的關係圖，如圖 4.31 所示，將 N3(孔隙率 22.7%)作為對照組，擴孔時間越長測到的最大外力值越低且圖形的斜率也 越低，同樣因為變位量過大產生支點偏移的現象，計算彎曲應力時只採計 實驗過程中最大應力，而計算楊氏係數採用變位量4mm 之前的線性斜率。

擴孔處理的結果可以得知，擴孔雖然會使得多孔面的孔洞變大，但是受到 張應力的阻障層仍然可以承受三點彎曲的應力集中，保持試片不破斷。

4.3.2 阻障層受壓應力

試片反置進行三點彎曲會得到不一樣的結果，N9(孔隙率 23.9%)至 N11(孔隙率 51.7%)皆會發生破斷，這個現象和 N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)至 N8(厚度 79.31μm 孔隙率 35.4%)試片一樣，多孔面的多孔特性無 法承受三點彎曲的應力集中，而擴孔處理對力-變位量圖的影響如圖 4.32 所 示，破斷模式相同都是從中央斷成兩片，力-變位量的圖也是線性的方式遞 增至破斷，沒有發生支點偏移的現象，而破斷時的變位量並不一定會在同

樣的變形量，即使是相同參數的試片也會有些許的差異，圖4.32 還提供一 項訊息，擴孔處理的時間越長，破斷需要的外力值越低，之後會利用彎曲 應力的計算結果進行討論。

4.3.3 彎曲應力與彎曲係數

三點彎曲的實驗結果如表4.3 所示，N3(孔隙率 22.7%)是未做擴孔處理 的試片，一起比較之下，當多孔面受壓應力時，彎曲應力由未處理(孔隙率 22.7%)的 263.08MPa 下降至擴孔 60 分(孔隙率 51.7%)的 109.23MPa，彎曲 係數則由81.89GPa 下降至 33.00GPa；另一種阻障層受壓應力時，彎曲應力 由未處理(孔隙率 22.7%)的 182.38MPa 下降至擴孔 60 分(孔隙率 51.7%)的 47.67MPa，彎曲係數則由 82.70GPa 下降至 17.92GPa 很明顯看出不管是多 孔面受壓應力或是阻障層受壓應力，彎曲應力會隨著孔隙率上升而下降，

表示試片的孔洞越大，破斷所需要的應力值越低，符合之前提到的破裂機 制[63]，彎曲係數也有一樣的現象會隨著孔隙率上升而下降，而這種孔隙率 的影響在一般的陶瓷材料中已經有許多研究[69,70]，甚至有人針對不一樣 的孔洞形狀模擬可能的楊氏係數值[71]，至於一般的陶瓷燒結也會有孔隙率 的產生，在液相燒結中研究孔隙率的影響[72]，同樣也有人針對氧化鋁進研 究[73]，除了楊氏係數受到孔隙率的影響，破斷應力也會受到影響[74]。不 管是破斷應力或是楊氏係數，孔隙率造成的影響一定是負面的，孔隙率一 旦上升，破斷應力與楊氏係數就會隨之下降，同樣這種現象在AAO 裡也

有，擴孔處理的實驗結果發現到孔隙率越大，彎曲應力以及楊氏係數會越 低。將彎曲應力與彎曲係數對孔隙率作圖，得到圖4.33 與 4.34，符合一般 研究孔隙率對機械性質的影響，而AAO 的不對稱特徵也在擴孔處理中顯 現，不同的受力方式會有不同的彎曲應力值，受張應力的面仍然是最主要 的破斷決定處，而彎曲係數除了隨孔隙率改變之外，擴孔到達60 分(孔隙率 51.7%)時，兩種不同的受力方式有些許不同的結果產生，可能原因為擴孔 到達60 分使得孔壁遭到嚴重侵蝕甚至發生穿透現象，導致彎曲係數下降。

4.3.4 破斷面分析

圖4.35 為試片 N9(孔隙率 23.9%)的破斷 SEM 圖，破斷邊緣同樣有層狀 結構，縱剖面圖也有一樣的現象。圖4.36 為試片 N10(孔隙率 32.6%)的破斷 SEM 圖，圖 4.36(a)是縱剖面圖主要觀察到層狀結構，圖 4.36(b)與(c)是多孔 破斷邊緣的坍塌現象，擴孔處理的試片會產生多孔表面坍塌的現象，尤其 是N10(孔隙率 32.6%)以及 N11(孔隙率 51.7%)比較明顯，在最邊緣的孔洞 會坍塌並且無法觀察到孔洞，可能原因為孔壁過薄，並且受到張應力拉伸，

產生圖4.36(c)的情況，坍塌只侷限於表層，下層仍可以看出 AAO 的孔洞，

圖4.36(d)則是試片的大型缺陷處，其可能是破裂起點。圖 4.37 為試片 N11(孔 隙率51.7%)的破斷 SEM 圖，圖 4.37(a)至(c)都是多孔面的破斷邊緣，同樣 表面有坍塌現象，甚至邊緣的孔壁也有倒塌，情況比 N10(孔隙率 32.6%)更 嚴重，原因是擴孔處理已經過長，試片部分孔壁已經遭溶液侵蝕穿透，即

使仍未破損的孔壁也很容易坍塌，才會造成多孔表面的孔壁毀損嚴重，圖 4.37(d)為阻障層的破斷邊緣，以及試片大的缺陷處，破斷情形與其他試片 相同，圖4.37(e)與(f)是縱剖面的 SEM 圖，分別是靠近多孔面以及阻障層，

圖4.37(e)可以看出多孔表面的坍塌，AAO 管壁扭曲變形，圖 4.37(f)則是靠 近阻障層的形貌，阻障層不明顯但可以看到層狀結構。擴孔處理的破斷現 象與前一部分的N1(厚度 39.93μm 孔隙率 19.6%)至 N8(厚度 79.31μm 孔隙 率35.4%)是類似的，沒有太大的差異。

4.4 去除阻障層對機械性質的影響

一般AAO 在應用的時候會將阻障層移除，使 AAO 變為雙邊開口，並 利用直通管特性，輔助製備其他的多孔材料[21,22]，因此這一部分的實驗 可以了解阻障層移除之後對AAO 機械性質的影響。

4.4.1 多孔面受壓應力與阻障面受壓應力

去除阻障層之後，試片N12(多孔層孔隙率 25.0%，阻障層孔隙率 19.7%) 至N14(多孔層孔隙率 27.4%，阻障層孔隙率 39.6%)不管是用何種方式受 力，多孔面受壓或阻障面受壓時，試片彎曲情形都類似，試片的變位量都 很大，會超過4mm 產生支點偏移，並且到達很高的變位量，但是破斷並不 一定會發生，因為去除阻障層造成試片上下兩面皆為開孔，孔洞提供的空 間可以提升變形量但是也會提高破斷發生的機率，這個現象與一般陶瓷材 料一致，同樣參數的試片受到孔洞的影響具有不同的破斷機率。

4.4.2 彎曲應力與彎曲係數

三點彎曲的實驗結果如表4.3 所示，並整理如圖 4.38 及 4.39。在圖 4.38 中，彎曲應力由原本的差異性變為一致，並隨著阻障層孔洞增大而下降。

在圖4.39 中，彎曲係數的變化與擴孔處理的結果類似，阻障層孔隙率越大，

彎曲係數越低。N12(多孔層孔隙率 25.0%，阻障層孔隙率 19.7%)試片多孔 面受壓應力的彎曲應力為220.30MPa，而阻障層受壓應力為 230.04MPa，彎 曲係數則各為56.65GPa 以及 59.46GPa，可以明顯發現不管哪種受力方式，

得到的數值很接近，表示去除阻障層之後，讓AAO 的不對稱性慢慢消失，

使得彎曲應力以及彎曲係數值變為相似，而且去除阻障層之後，彎曲應力 以及係數會隨著處理時間增長而下降，原因是孔隙率上升，此外，去除阻 障層之後的另一個現象是可撓度上升，試片的可撓度超過4mm，有的試片 可以承受到10mm 而不破斷但有的試片會在很高的變位量之下破斷。之前 的N3(孔隙率 22.7%)試片以及擴孔處理的 N9(孔隙率 23.9%)至 N11(孔隙率 51.7%)若為阻障層受壓應力時，試片很快就會發生脆性破斷，但是阻障層 去除之後卻可以有不錯的變位量，提高了試片的可撓度。因此當阻障面受 壓應力時，試片N12(多孔層孔隙率 25.0%，阻障層孔隙率 19.7%)由於可撓 度提升且應變量上升，使得應力比N3(孔隙率 22.7%)提高，但去除阻障層 的時間加長之後，應力值又逐漸下降，符合一般孔隙率造成的影響。彎曲

使得彎曲應力以及彎曲係數值變為相似，而且去除阻障層之後，彎曲應力 以及係數會隨著處理時間增長而下降，原因是孔隙率上升，此外，去除阻 障層之後的另一個現象是可撓度上升，試片的可撓度超過4mm，有的試片 可以承受到10mm 而不破斷但有的試片會在很高的變位量之下破斷。之前 的N3(孔隙率 22.7%)試片以及擴孔處理的 N9(孔隙率 23.9%)至 N11(孔隙率 51.7%)若為阻障層受壓應力時，試片很快就會發生脆性破斷，但是阻障層 去除之後卻可以有不錯的變位量，提高了試片的可撓度。因此當阻障面受 壓應力時，試片N12(多孔層孔隙率 25.0%，阻障層孔隙率 19.7%)由於可撓 度提升且應變量上升，使得應力比N3(孔隙率 22.7%)提高，但去除阻障層 的時間加長之後，應力值又逐漸下降，符合一般孔隙率造成的影響。彎曲