第三章 實驗方法與流程
3.2 製備原理
圖 3-4 [42]為系統設備圖其中 PT,plasma torch ; M, material;NC,
nanofluids collector，其原理為先將欲蒸發的物質材料放入坩鍋內，調整銲炬 與坩鍋內靶材的適當電弧間距，導入惰性氣體至反應腔體內，事先加入適當 之水至流體收集器內，調整電漿電弧銲機電流及電漿保護氣體流量，確認電 極接地線是否接妥，通電使電漿之高溫電弧熔融坩鍋內之靶材使之蒸發、氣 化，其蒸發之氣體順著導管進入到奈米流體收集器內，再將所收集之奈米石 墨/水流體以超音波震盪器震盪以分散奈米微粒團簇，最後再以 SEM、EDS、
粒徑分析儀等儀器做檢測，判斷其微粒大小。
圖3-4 電漿電弧冷凝系統示意圖
3.3 實驗設備裝置
本研究所使用之電漿電弧奈米流體研發設備，包含電漿電弧加熱系統、
蒸發腔室本體上、下座、冷卻循環系統、氣體供給系統、奈米流體收集器等，
以下就各部做詳細的介紹：
41
3.3.1 電漿電弧加熱系統(含冷卻系統)
此製程使用美國飛馬特(thermal arc)高精度等級，離子銲接系WC -100B 機型如圖3-5(下機)，是高質量、高精度的銲接系統，應用於許多自動化銲接 製程，電弧穿透性强，借助小孔效應正面施焊，背面不用襯墊也可獲得良好 的滲透形狀，400A 銲接系统可一次銲透9mm 的板材。其穩定的電弧能連 續维持8 小時以上的銲接作業，在大量且重複性的生產銲接時，表現出最大 優點，是改良和取代氬銲(TIG)的先進設備，表3-1 為相關規格。
表3-1 電漿電弧銲機之相關規格
機 型 額定電流 電流型式 額定使用率 電 壓
WC-100B 5-400A DC 64V 400A
25％
三相
DC 33A 300A 60％
220V
其變頻電源機型為400GTS 如圖3-5[42]，銲接穩定及可靠性高。此電源 可提供高頻起弧和提拉起弧方式，在不受其它環境影響下延續銲接工作。可 銲接鈦金屬、銅合金、碳鋼、模具鋼、不銹鋼和其它合金材料，機身輕巧攜 帶方便。
圖3-5 電漿電弧銲機及變頻電源設備[42]
42
3.3.2 原反應腔室本體之設計
反應腔體為本研究室自行設計研發，經由備料、加工、組銲等步驟完成，
圖3-6[42]為本體結構設計圖，不銹鋼坩鍋為活動式可取出作清潔與置料動 作，由腔體左側導入保護氣體(Ar)至反應腔體內，利用氣流原理將蒸發的石 墨奈米微粒從腔體右側導入流體收集器內；另將電漿銲炬手把之位置重新設 計，直接置於腔體外部之上方，只將陶瓷火嘴保留於蒸發腔體內，如此可避 免塑膠銲柄因高溫熔毀同時省去保護套的製作，更可縮小反應腔室內部之空 間，提升石墨/水奈米流體之收集效率。
圖3-6 反應腔室本體結構圖
但因電漿銲炬銅電極火嘴護套為一陶瓷材料(硬、脆、耐高溫、安定及 絕緣)受力時極易脆裂，故採用耐熱(約327℃)且具低磨擦特性之鐵氟龍 ( teflon,即聚四氯乙烯)材質當陶瓷之保護套，以防止保護套因高溫變形而使 陶瓷破裂。陶瓷保護套為可置換式(有多個尺寸)如圖3-7[42] (右)所示，以配 合每一批次陶瓷護套製造上之公差，可更換適當公差尺寸以免因擠壓而破
43
裂，銲炬與坩鍋之距離透過螺紋的構造可做上下調整如圖3-7[42] (左)，在實 驗時透過距離的調整，找到最適當的電弧間距。
圖3-7 可置換式護套設計圖及可調間距設計實體圖
3.3.3 改良後反應腔室本體
為了增加電弧可將材料氣化的面積近而增加材料的使用率,修改原反應 腔室本體結構圖中觀看的部位改為可側向移動以增加材料可溶解的體積如 圖3-8。
圖3-8 改良後反應腔室實體圖
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3.3.4 反應腔體冷卻循環系統
圖3-9 [42]為冷卻系統設備圖，此冰水機主要配合圖3.7 反應腔體下半部 之擾流板設計，可有效將腔體及坩鍋之熱量帶走，透過冰水機之溫度調整，
可有效控制循環溫度，防止坩鍋發生熔解燒損的問題。
圖3-9 冰水機循環系統設備
3.3.5 氣體供給系統
共有兩套氣體供給系，一為氬氣(Ar)使物質原子與惰性氣體原子碰撞而 迅速損失能量之冷卻氣源，同時提供氣流將產生之奈米微粒導入流體收集器 中，另一套高純氬氣體(high purity Ar)系統有兩氣源，一為產生電漿離子所 需之反應氣體，另一氣源為保護高溫溶池使不受空氣中氧氣、氮氣等有害氣 體入侵。
3.3.6 奈米流體收集器
圖3-10 為多層式與單層式奈米流體收集器，能將在蒸發腔體內所生成 之石墨奈米微粒快速冷卻形成石墨/水奈米流體，使石墨奈米微粒成核生長 時間縮短且保持低溫以防止奈米微粒團簇及聚集，使奈米微粒尺度小而均 勻，在流體收集器內增加多層不銹鋼濾網與單層濾管可觀察其細化氣泡差 異。
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圖3-10 多/單層式奈米流體收集器
3.4 實驗設備操作步驟
1.開啟腔體循環冷卻水並設定適當之冷卻溫度，如圖3-11(a)。
2.將欲與電漿反應之靶材(石墨)放入坩鍋內，如圖3-11 (b)。
3.蓋上旋轉調整蓋並調整銲炬至適當引弧高度，如圖3-11 (c)。
4.開啟腔體反應氣並調整至適當氣流流量，如圖3-11 (d)。
5.加入適量之水於奈米流體收集容器中，如圖3-11 (e)。
6.打開電漿電弧銲機之電源及高純氬保護氣體×2 道，同時開銲機冷卻水 箱電源(檢查水位是否足夠)，如圖3-11 (f)。
7.調整電漿電弧銲機之電流大小及氣體流量，如圖3-11 (f)。
8.開啟導弧功能如圖3-11 (g)，並下降銲炬高度至適當距離(靶材與銲炬電 弧間距)，可從觀察視窗操縱之。
9.確認接地無誤後，即可通電產生高溫電漿電弧形成氣凝作用，此時應 觀察電漿電弧與石墨之熔融情形是否正常，如圖3-11 (h)。
( a ) ( b )
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( c ) ( d )
( e ) ( f )
( g ) ( h ) 圖3-11 電漿電弧製程操作步驟示意圖[42]
3.5 田口式實驗製程參數設計
本研究以石墨為靶材，搭配L9（34）直交表製造石墨-水奈米流體，設 計找出製造石墨奈米流體之最佳化的相關參數，使其粒徑達到望小質，以製 造出最高品質之石墨奈米流體。表3-2為此次設計的相關之製程參數，表3-3
47
48
49
根 據 ISO13321： 1996, JIS Z8826： 2005
± 2％ (以 NISTTraceable PS 粒 子 100nm 測 量 )
50
圖3-12 HORIBA 動能光散射分析儀
3.6.2 密度分析儀
本實驗使用手持式密度計/比重計(DA-130N)如圖 3-13 其規格如表 3-7，
搭配體積濃度計算公式 3-1 來得知流體內體積濃度值。
3-1 Pnf : 儀器量測值
Pbf : 去離子水溶液 P p : 石墨密度值
51
表3-7 密度計規格表
型號和名稱 DA-130N 手持式密度計/比重計
測定方式 固有振動周期測定方式
測定範圍 0.0000～2.0000 g/cm3
測定準確度 ±0.001 g/cm3
測定解析度 0.0001 g/cm3
溫度範圍 0 ～40°C
顯示項目 密度值, 溫度補償後密度值, 比重值 , 溫度補償後比重
值, 美國石油學會度數(API), 糖度(Brix%), 酒精度 (wt%/vol%),硫酸濃度, 波美比重計度數(Baume), 柏拉圖 度數(Plato) , 酒精強度(Proof), 溫度(℃,℉), 樣品編號, 安 定度判斷, 數據保存, 輸出, 清除, 電池消耗程度……等
溫度補償 可輸入 10 種溫度補償係數
自動校正 具各溫度的純水密度值做自動校正
取樣方式 手動泵注射器方式
數據儲存 可記憶 1100 個樣品值
輸出 紅外線輸出到電腦
電源 AAA 鹼性乾電池(1.5V x 2)
[45]
圖3-13 手持式密度計/比重計(DA-130N)
52
3.6.3 黏性分析儀
本實驗使用 Viscolite 700 手提式黏度計如圖 3-14 其規格如表 3-8，來量 測流體內黏性並與溫度配合，來得知不同溫度下其黏性的變化值。
表3-8 黏度計規格表
黏度範圍 1 ~ 10,000 mPa.s. (cP)
溫度範圍 -50 ~ +150 C
精準度 ±1%
感測器材質 316 不銹鋼
探棒長度 140 mm
探棒重量 700 gm
主機重量 500 gm
電源供應 4 只 AA 鹼性電池
[46]
圖3-14 Viscolite 700手提式粘度計
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3.6.4 熱傳導分析
本實驗使用便攜式液體熱導率測試儀 KD2 Pro 如圖 3-15 其規格如表 3-9，來量測流體熱傳導性，並與溫度搭配來了解不同溫度下其熱傳性質。
表3-9 熱導率測試儀規格表
儀器名稱 KD2 Pro
測量速度 90 秒
操作環境 -50~150℃
KD2 Pro 控制器 KD2 Pro-C
顯示類型 液晶顯示（LCD）7.5 cm×4 cm
數據存儲 4095 個讀數
電源 4 節 5 號電池
[47]
圖3-15 便攜式液體熱導率測試儀KD2 Pro
54 檢知器 光電倍增管(Photomultiplier tube)、電子致冷式 PbS 迷光率 0.005%T (220 nm NaI, 340 nm NaNO2), 0.04% (1690 nm
H2O, 10 mm cell)
基線穩定性 ±0.0003 Abs/hr.
基線平坦度 ±0.0005 Abs(200 ～ 850nm)
測定模式 Abs, %T, %R(反射率)
測定範圍 -2～+4 Abs(UV/VIS range);-2～+3 Abs(NIR range)並具 Dark Correction 功能
Response=medium; BW=2 nm)
[48]
55
圖3-16 UV/VIS/NIR 光譜儀 V-670
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第四章 結果與討論
本次研究實驗過程分為兩階段，第一階段實驗使用田口式實驗設計法, 藉由直交表的排列以掃描式電子顯微鏡與雷射散射粒徑分析儀求得製造奈 米流體最佳化粒徑並去找出最具影響的參數因子,並驗證其再現性。第二階 段實驗選擇第一階段的實驗結果來量測流體相關的熱傳導與黏性特性分 析，並藉由奈米流體相關計算公式推得流體密度，並搭配光譜量測儀而進一 步推得碳奈米流體吸收值光譜圖。
4.1 SEM 分析
本實驗使用掃描式電子顯微鏡(JSM-6360) 觀察其巨觀影像圖( ×5,000 倍)，以及高解析掃描式電子顯微鏡 (Hitachi S-4800)觀察其顆粒大小如下
圖4-1 L1粒徑影像圖 (X50,000倍)
圖4-2 L2粒徑影像圖 (X10,000倍)
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圖4-3 L3粒徑影像圖 (X200,000倍)
圖4-4 L4粒徑影像圖 (X50,000倍)
圖4-5 L5粒徑影像圖 (X100,000倍)
58
圖4-6 L6粒徑影像圖 (X10,000倍)
圖4-7 L7粒徑影像圖 (X200,000倍)
圖4-8 L8粒徑影像圖 (X200,000倍)
59
圖4-9 L9粒徑影像圖 (X200,000倍)
觀察各實驗次數得知可得知其表面為片狀不規則形狀，雖然奈米流體的 團簇聚無法得到明確單一粒徑的大小值，但可由圖判斷大部分均為
200nm~500nm 之間。且有些有為管狀物經過ＥＤＳ分析如圖確認其成分為 碳。但因 SEM 為局部的影像觀察而各實驗次數都有存在片狀與粒子狀因此不 推論其形成原因，而碳管的形成在 L3 發現其形成的原因無法準確的判斷，可 往腔體內是否有碳管形成去研究。
圖4-10 奈米碳管影像圖與成分析
60
4.2 TEM 分析
本實驗使用穿透式電子顯微鏡 / 高解析穿透式電子顯微鏡(Hitachi H-7100 (TEM) / FEI Tecnai G2 (HR-TEM 200kV)) ，利用此設備更進一步觀 察試片的相關特性其結果如下
( a ) ( b )
圖 4-11 (a) L1 粒徑影像 TEM 圖 (b) L2 粒徑影像 TEM 圖
( a ) ( b )
圖 4-12 (a) L3 粒徑影像 TEM 圖 (b) L4 粒徑影像 TEM 圖
61
( a ) ( b )
圖 4-13 (a) L5 粒徑影像 TEM 圖 (b) L6 粒徑影像 TEM 圖
( a ) ( b )
圖 4-14 (a) L7 粒徑影像 TEM 圖 (b) L8 粒徑影像 TEM 圖
( a ) ( b )
圖 4-15 (a) L9 粒徑影像 TEM 圖 (b) 管狀影像 TEM 圖
62
0.34 0.49 0.7 1.02 1.47 2.11 3.05 4.4 6.34 9.15 13.2 19.03 27.45 39.58 57.09 82.33 118.74 171.25 246.98 356.2 513.71 740.89 1068.52 1541.04 2222.51 3205.35 4622.81 6667.1
Frequency ( f , % )
本研究使用雷射散射粒徑分析儀(nanosize malvem, UK)，分析流體粒徑 的分佈，結果如圖 4-16。設計上以雷射散射結果為主要分析，原因為 SEM 與 TEM 為局部性的觀測質，而以雷射散射粒徑分析儀來分析其結果較為客 觀。
圖4-16 各實驗次數下二次粒徑分析圖
63
0.34 0.49 0.7 1.02 1.47 2.11 3.05 4.4 6.34 9.15 13.2 19.03 27.45 39.58 57.09 82.33 118.74 171.25 246.98 356.2 513.71 740.89 1068.52 1541.04 2222.51 3205.35 4622.81 6667.1
Frequency ( f , % )
Diameter(d,nm)
No Monolayer Multilayer 表4-1 各個實驗次數下樣本取樣粒徑表
64
0.34 0.55 0.9 1.47 2.39 3.89 6.34 10.34 16.84 27.45 44.72 72.87 118.74 193.48 315.27 513.71 837.07 1363.97 2222.51 3621.48 5901.02
Frequency ( f , % )
Diameter(d,nm)
25hz 15hz 5hz
0
0.34 0.49 0.7 1.02 1.47 2.11 3.05 4.4 6.34 9.15 13.2 19.03 27.45 39.58 57.09 82.33 118.74 171.25 246.98 356.2 513.71 740.89 1068.52 1541.04 2222.51 3205.35 4622.81 6667.1
Frequency ( f , % )
Diameter(d,nm)
80A 70A 60A
圖 4-18 銲接電流 80A/70A/60A 下的粒徑分析表
圖4-19 脈衝頻率 25(Hz)/15(Hz)/5(Hz) 下的粒徑分析表
65 0
5 10 15 20 25 30
0.34 0.55 0.9 1.47 2.39 3.89 6.34 10.34 16.84 27.45 44.72 72.87 118.74 193.48 315.27 513.71 837.07 1363.97 2222.51 3621.48 5901.02
Frequency ( f , % )
Diameter(d,nm)
2LPM 1.5LPM 1LPM
圖4-20 電漿氣體流量 2LPM/1.5LPM/1LPM 下的粒徑分析表
由表4-1得知次數L7也就是在參數鐵網多層電流調整在80 A頻率調整在
5 hz將氣體流量調整在1.5 LPM時與L2無鐵網電流在70A/15hz氣體在1.5LPM
5 hz將氣體流量調整在1.5 LPM時與L2無鐵網電流在70A/15hz氣體在1.5LPM