第四章 結果與討論
4.2 碳/鋁複材組織分析
4.2.1 1D 碳纖/鋁複合材料(1D Carbon fiber/Al composites)
將1-D碳纖預型體利用擠壓鑄造法，所製得之複合材料試片如圖4.5所 示，試片大小100x80x10 mm，觀察方向為垂直碳纖維方向及碳纖橫剖方向
。此款碳材是由多層碳纖結合，層與層碳纖的方向成垂直排列壓製而成。
圖4.5 1D/Al碳纖複材
由圖4.6複材橫切及碳纖方向組織照片可以觀察到，白色部份為A356 鋁合金，灰黑色為碳纖維。複合材料碳纖維分布呈現一束一束狀，纖維束 與束之間的間距大約10~20μm左右。每束纖維內部的纖維密度相當高，纖 維與纖維之間幾乎都彼此鍵結，如此可減少Al及碳纖維的界面，形成暢通 的快速導熱通道。
圖4.6 1D 複材橫切及碳纖方向組織觀察
200μm
此預形體碳纖體積分率屬高體積分率。在液相滲透時預形體高溫預熱 後有良好強度及可耐得住鋁液高速衝擊，方可在成形時預形體外形不會潰 散，再加上熱散失不過快，鋁液受壓力後會順著通道去填補剩餘空隙。由 較高倍率的圖4.7觀察可發現，即使是在一束碳纖維的內部，鋁液仍可順利 充填進去，但組織中仍可能有細小孔隙存在。另照片中圓形碳纖邊緣之非 圓形狀灰黑色組織，為碳纖鍵結的黏結劑及緻密化後經石墨化的碳材，由 於一束碳纖維彼此間的鍵結，因此在低倍率觀察時，容易誤以為鋁液無法 滲透進入。圖中碳纖橫切面的組織照片可看到碳纖大致都維持圓形狀，表 示碳纖未被氧化所侵蝕。如碳纖維預熱溫度過高，氧化損耗後的碳纖則會 呈現如圖4.8所示之橢圓狀。
圖4.7 1D 碳纖/鋁複材鋁液滲透後組織
圖4.8 1D碳纖/鋁複材過度氧化的碳纖
20μm
20μm
4.2.2 發泡碳/鋁複合材料(Carbon foam/Al composites )
發泡碳/鋁複合材料之液相滲透後的實驗結果，從圖4.9複材中可以很 明顯看出來發泡碳/鋁複材之鋁合金進入預形體內部的情況良好，複材的試 片大小100x80x10 mm，發泡碳的滲透情形比1D碳纖維預形體好，主要是 發泡碳的體積分率較1D碳纖維低的原因(ρ=0.3~0.5 g/cm3)，另一方面發泡 碳的孔隙較大且彼此連通，亦有助於鋁液的滲透。即使高體積分率(50％左 右)的carbon foam(ρ=1.0 g/cm3)，仍然可以滲透完全。
圖4.9 發泡碳/鋁複材
發泡碳/鋁複材液相滲透不均勻或不足的原因非常多，但最基本且是 最關鍵的問題在於每一發泡孔洞是否連通；如果孔洞無法適度連通，試再 多的成形條件也枉然。發泡碳充填鋁液後之複材微結構如圖4.10左所示，
其中灰黑色連續相即為發泡碳，而白色相即為鋁充填之部分。由圖可看出 鋁元素的液滲透情況良好，並無觀察到孔洞存在，而在Al材部份可看出其 中有一些白色及灰色帶狀第二相如圖4.10右所示，均是充填Al液的合金元 素。
圖4.10 發泡碳/鋁複材之微結構
另外發泡碳/鋁複材試片經加工後表面易產生坑洞，主因在於鋁的強度 較高且具韌性而發泡碳強度較不足，所以會形成發泡碳軟，鋁材較硬韌的 組織，加工時刀具容易把脆弱的部份刮除，剝落的部分便成孔洞。實驗初 期加工後的複材試片都可見剝落的孔洞，常誤判為鋁未滲透完成。實驗後 欲確認試片滲透是否完全，可用金相研磨設備將加工後的試片研磨一定的 深度之後，如是滲透完全之複材孔洞便會不復見，所以欲進行發泡碳複材 的加工時，每次的加工量需避免過大。
4.2.3 鑽石/鋁複合材料(Diamond /Al composites )
鑽石/鋁複材在實驗製作上分成兩種:一為表面不包覆鋁材，另一種是 表面包覆鋁材。在複材的上下各包覆一層鋁材，主要功用是在複材上下兩 端預留加工層。複材後端應用時大都需良好的表面及平整度與發熱源貼合
，若要得到好的平整度需經加工之道次，但鑽石硬度極高無法輕易作加工
，只能由預留的鋁層來達到加工的目的。
圖4.11 是 不 包 覆 鋁 材 的 鑽 石 / 鋁 複 材 試 片 及 放 大 照 片 ， 試 片 大 小 80x50x2 mm，照片中清晰可見鑽石粉一顆顆顯露在複材上，鑽石顆粒大小
100μm 600μm
約0.25mm崁入鋁材中得到良好的包覆，複材中鑽石的體積分率約為55 %。
圖4.12為表面包覆鋁材成形完成之鑽石/鋁複材及放大照片。
圖4.11 鑽石/鋁複材試片及放大照片
圖4.12 鑽石/鋁複材(包覆鋁材)試片及放大照片
500μm
500μm
4.3 密度測試
電子商業產品對輕量的需求非常高，所以密度的控制就顯得非常重要
。本實驗利用精密天平配合密度量測配件進行真密度的量測。所獲得的密 度值可用以大略推估出碳材在碳/鋁複合材料中所佔的體積百分比。推估的 方法係假設複材內有孔洞缺陷，且該孔洞缺陷為被鋁滲透填滿，因此複材 的密度應當符合混合規則 (mixture rule)：
碳/鋁複合材料試片的密度 ρs 用下式計算：
ρs =ρc fc+ρal fal +ρair fair………..…..(21) 其中，ρc為碳(石墨纖維或鑽石)的密度，ρal為鋁的密度，ρair為孔洞缺 陷的密度，fc為碳(石墨纖維或鑽石)的體積百分比，fal=1-fc-fair 為鋁的體積 百分比，fair為孔洞缺陷的體積百分比。今假設ρair=0 (相對於石墨與鋁，空 氣的密度非常低)，則利用(21)簡化為：
ρs =ρc fc+ρal (1-fc-fair) ……….……..(22) 今fc=碳(石墨纖維或鑽石)的體積百分比，可於預形體製作時即可測得
，ρal=鋁的密度約2.7 g/cm3、ρc=碳纖維約2.22 g/cm3、合成鑽石約3.5 g/cm3
。利用(22)式即可推估本實驗所製造的複材中之孔洞缺陷含量體積百分比 (fair)。本實驗所製造之各種碳/鋁複合材料之密度量測值結果如表4.5示。利 用表4.5所推估出的複材中之孔洞缺陷含量體積百分比列於表4.6示。
由表4.6可得知 1D碳纖/鋁以及發泡碳/鋁複材兩者的孔洞缺陷比較高
，兩者分別約為 7%與 4%。而鑽石/鋁的孔洞缺陷比較低約只有 1%。其 差異主要的原因係 1D碳纖與發泡碳預形體內的孔洞比較小；同時，1D碳
纖與發泡碳預形體兩者可能存在有不與外界連通的孔洞，以致金屬鋁液不
4.4 熱膨脹係數測試
本實驗所製作的各種碳/鋁複合材料之熱膨脹係數（Coefficient Thermal Expansion CTE）量測結果分別示於圖4.15-4.20。
從圖4.13 測試數值中可以看出來1D 碳纖/鋁複材在碳纖維方向所呈現 的溫度和尺寸的變化是一個負的斜率，亦即熱膨脹係數是一個負值其值約 為-0.02μm/m˚C；而在垂直於碳纖維的方向上尺寸對溫度的變化是一個正 值亦即熱膨脹係數是一個正值其值為 6~7μm/m˚C。
從實驗結果反映出1D碳纖/鋁複材最有利於電子元件熱傳導的材料，一 方面在貼近於矽基材的面熱膨脹係數和矽的熱膨脹係數接近，所以比較不 容易因溫度差造成應力破壞，而另一方面高導熱的纖維方向不受影響。
(a)
(b)
圖4.13 1D碳纖/鋁複合材料TMA測試(a)垂直於纖維方向，(b)平行於纖維 方向
在Carbon foam/Al 複合材料方面，複材所呈現的則是各個方向均一的 CTE，其值約為6-7μm/m˚C，如圖4.14所示。這主要是發泡碳的各部呈任意 方向的排列所以造成無一定的排列方向因此各方向的CTE差不多。另表4.7 比 較1D 碳 纖 / 鋁 與 發 泡 碳 / 鋁 複 材 CTE 測 試 結 果 。 原 本 鋁 合 金 CTE 22μm/m˚C，加入碳材後的複材的CTE降為6~9μm/m˚C之間
圖4.14 發泡碳/鋁複材TMA測試
表4.7 1D碳纖/鋁與發泡碳/鋁複材CTE量測結果
複材種類 密度 (g/cm3)
試片厚度 (㎜)
熱膨脹係數(μm/m )℃ RT~50℃ 50~100℃
1D碳纖/鋁 2.21 8.12 6.06(┴) -1.65(≡)
6.94(┴) -2.6(≡)
發泡碳/鋁 2.48 8.08 7.74 8.81
註: ┴代表垂直於纖維方向，≡代表平行於纖維方向
鑽石/鋁複材的熱膨脹係數測試結果分別示於圖4.15及圖4.16，圖4.15 為鑽石/鋁複材測試數值、圖4.16為鑽石/鋁複材表面包覆鋁層。測試溫度為 室溫到300℃。從測試結果中可發現，不管多少體積分率的鑽石/鋁複材在 200℃之前溫度變化和尺寸變化呈線性的關係，而在200℃以後尺寸隨溫度 的變化會變小，表面包覆鋁層之測試值在溫度200℃以後斜率更明顯變小
。鑽石/鋁複材和表面包覆鋁層的鑽石/鋁複材CTE測試比較如表4.8。
圖4.15 鑽石/鋁複材TMA測試
圖4.16 鑽石/鋁複材(表面包覆鋁層)TMA 測試
表4.8 鑽石/鋁複材 CTE 量測結果
RT~100℃ 100~200℃ 200~300℃
鑽石/鋁 3.1218 2.04 7.281 8.576 8.275
表4.9 複材CTE利用混合規則推測後之數值與實驗值比較
4.6 熱傳導率量測
(X-Y-Z) 241/253/256
在鑽石/鋁複材部份，表面未包覆鋁層測試結果如圖 4.17(a)，熱擴散 率 224 mm2/s，熱傳導率高達 771 W/m·K，顯示鑽石粉末加入鋁基材中，
鑽石粉末的高熱傳導率藉由鋁基材結合大大提升了鑽石/鋁複材的熱傳導率
。鑽石/鋁複材與銅材相較下比銅的熱擴散率 115 mm2/s 高出許多，熱傳導 率更高出銅的 1.9 倍。
圖 4.17(b) 為鑽石/鋁複材表面包覆鋁層測試結果。鑽石/鋁複材上下各 為一層 0.5mm 的鋁材，中間層位置才是鑽石/鋁複材，在測試結果發現熱 擴散率為 93 mm2/s，與鋁材的 92 mm2/s 相當。但熱傳導率為 414 W/m·K 比鋁高出 1 倍。表 4.12 為兩種鑽石/鋁複材熱物性測試結果，可以比較出 表面加入鋁層後對鑽石/鋁複材的熱物性測試結果有明顯的改變。
(b) 鑽石/鋁複材表面包覆鋁層
圖 4.17 鑽石/鋁複材熱傳性質測試結果(a)未包覆鋁層(b)表面包覆鋁層
表4.12 鑽石/鋁複材熱物性測試結果 複材種類 Density
(g/cm3)
Cp
(J/g·°C) Thermal Diff.
(mm2/s)
Thermal Cond.
(W/m·K)
鑽石/鋁 3.12 1.10 224 771
鑽石/鋁
(表面鋁層) 2.93 1.51 93 414
各種碳/鋁複材所測之物理性質與銅、鋁比較如表4.13 所示，1D複合 材料之熱傳導值，從表中可以看複材在垂直於碳纖維方向上和平行於碳纖 維方向的熱傳導效率有很大的差異約有兩個order的差距。垂直方向的68 W/m·K到平行方向上的634 W/m·K，所以隨石墨化程度、碳纖維的方向對
複材的熱傳道率有很大的影響。因此在應用此材料時，應該特別注意碳纖
利用混合規則(mixture rule)推測。假設利用混合規則(mixture rule)，複材的 熱傳導係數為：
K s = K c fc+ K al fal………...(20)
其中，K c 為碳(石墨纖維或鑽石)的熱膨脹係數， K al為鋁的熱膨脹係
圖4.18 鑽石/鋁複材界面微觀組織觀察
高熱導碳/鋁複材現階段技術的發展大都還在國外，其熱導值高、低 CTE、低密度之複材可應用在高效能控制元件及航空航天上，雖少數廠商 已商業化，但各國仍將此材料列入管制出口範圍，取得不易。本研究之 1D 碳纖/鋁、鑽石/鋁複材與國外製作之複材效能比較如表 4.15、表 4.16 所
高熱導碳/鋁複材現階段技術的發展大都還在國外，其熱導值高、低 CTE、低密度之複材可應用在高效能控制元件及航空航天上，雖少數廠商 已商業化，但各國仍將此材料列入管制出口範圍，取得不易。本研究之 1D 碳纖/鋁、鑽石/鋁複材與國外製作之複材效能比較如表 4.15、表 4.16 所