第四章 實驗結果
4.2 X 光繞射分析
4.2.1 複合材料氧化表面之 X 光繞射分析
Fig. 4-2 是 AZ0/SiC 試片未氧化前以及在 1350℃經 9、50、200 小時
氧化後的試片表面 XRD 繞射光譜圖，未氧化前試片的 XRD 分析中 只有出現氧化鋁及α-SiC 的繞射峰；在 9 和 50 小時氧化後的情形也
沒有發生太大的變化。然而，在經過200 小時後，偵測到氧化矽結晶 相(cristobalite)及 mullite ( 3Al2O3．2SiO2 )的產生。Mullite 的生成有兩
種方式，一種是碳化矽氧化所生成的氧化矽在溶入氧化鋁後降低熔 點，變成液相型態(liquid state)的氧化矽，且在經過與氧化鋁長時間的 作用後生成液相 aluminosilicate，待鋁成分的擴散到達臨界值即會生
成結晶相mullite(3Al2O3．2SiO2)。
Fig. 4-3 是 AZ10/SiC 試片未氧化前以及在 1350℃經 9、50、200 小時
氧化後的試片表面XRD 繞射光譜圖。在經過 9 個小時之後，碳化矽 繞射峰幾乎消失，結晶相的氧化矽 ( cristobalite )的繞射峰仍存在著，
而zircon 也逐漸生成所以其繞射峰漸漸增強，此外又新生成了 mullite 相。在 50 小時的結果中發現，氧化矽因為逐漸地和氧化鋯及氧化鋁 交互作用而消耗殆盡，而氧化鋯及氧化鋁的繞射峰也逐漸的減弱，而 其所產生的 mullite 及 zircon 的相逐漸增加。在 200 小時後，zircon 也因為和氧化鋁作用而分解，生成mullite 及 ZrO2。在XRD 分析中，
可以見到zircon 和 Al2O3的繞射峰逐漸減弱而t-ZrO2和mullite 的繞射 峰逐漸增強。mullite 可藉由兩種方式而生成，一為由氧化鋁和氧化矽 直接生成；另一種方法則是先由氧化鋯及氧化矽生成zircon 過渡相，
再由zircon 與氧化鋁形成 mullite，zircon 的生成降低了 mullite 成核的 活化能，有利於mullite 的生成。
Fig. 4-4 是 AZ20/SiC 試片未氧化前以及在 1350℃經 9、50、200 小時
氧化後的試片表面 XRD 繞射光譜圖，從 XRD 的分析圖中可發現，
AZ20/SiC 與 AZ10/SiC 相生成的情形大致相同，但因 AZ20/SiC 的氧 化鋯的含量佔基地相中的體積百分比20%，所以氧在基地中的擴散較
快；在 9 小時後，氧化矽和氧化鋯逐漸作用生成 zircon，因此 zircon 的繞射峰強度增強，而在此時mullite 也已經生成。在 50 個小時過後，
zircon 的繞射峰強度開始減弱，同樣的是因為 zircon 和氧化鋁產生作 用，生成mullite 及 ZrO2的緣故。
Fig. 4-5 是 AZ50/SiC 試片未氧化前以及在 1350℃經 9、50、200 小時 氧化後的試片表面 XRD 繞射光譜圖；由於 AZ50/SiC 的氧化鋯的含 量佔基地相中的體積百分比達50%，所以氧在基地中的擴散極快，在 氧化 9 個小時後，碳化矽的繞射峰已完全消失，皆因其氧化成氧化 矽，且與氧化鋯形成zircon 的緣故，因此 zircon 的繞射峰強度逐漸增 強。50 個小時後，發現氧化鋁的繞射峰強度開始減弱而漸漸地生成 mullite。為何 AZ50/SiC 之所以會生成較多的 zircon 而只有微量的 mullite，是因為生成 zircon 和 mullite 皆需是氧化鋯和氧化鋁分別和氧 化矽作用，AZ50/SiC 試片中的氧化鋯含量多，因此氧化矽接觸到氧 化鋯的機會大，而且生成 zircon 所需的活化能較生成 mullite 所需的 活化能較小，因此，氧化矽會優先與氧化鋯生成zircon，氧化矽與基 地相中的氧化鋁作用的機會相對減少，因此mullite 的生成數量少。
4.2.2 複合材料破壞斷面之 X 光繞射分析
Fig. 4.6 是 AZ10/SiC 於 1350℃不同氧化時間之試片斷裂面 x 光繞射
光譜圖。氧化處理後的試片均在2θ 約 22°左右有一個氧化矽結晶相 的繞射峰出現。這是因為隨著氧化鋯的添加，使得氧在基地相中的擴 散速率逐漸變快，氧在擴散入碳化矽顆粒後生成amorphous 氧化矽，
而原本為 amorphous 之氧化矽在長時間高溫下會 devitrified (去玻化) 而形成結晶相之氧化矽 ( cristobalite )。
式（4-2）中的
I
m(
111)
、I
m( ) 11 1 、I
t( )
111 分別指氧化鋯的 Monoclinic 相
及 tetragonal 相在（111）繞射面之繞射峰強度，在 XRD 圖表上對應
的2θ 角度各為 29.07°、31.53°及 30.24°。量測機械性質測試前後的
斷裂面得到對應的Vm，並比較斷裂前後 Vm的比例差，藉此作為是否
發生氧化鋯相變韌化的依據之一。AZ10/SiC 試片測試結果表示於
Table 2，可發現氧化後試片的 m-ZrO2的比例變化皆在實驗誤差範圍
內，猜測是在斷裂面上的大部分 t-ZrO2 尺寸低於臨界尺寸(critical size)，無法經由應力誘發產生相變韌化，所以斷裂前後的 Vm比例差 異小。
Fig. 4-7 是 AZ20/SiC 試片不同氧化時間下的 x 光繞射分析。氧化 9 小 時已有些微的 zircon 生成，是由氧化矽和氧化鋯反應而成，而在 50 小時氧化後有mullite 的生成，在經歷更長暴露時間後，zircon 會與氧 化鋁作用形成氧化鋯與 mullite，所以可以發現 200 小時的 X 光繞射 圖示中zircon 的量減少，而 mullite 的量較為增加。AZ20/SiC 試片測 試結果表示於 Table 3，表中未氧化試片的 m-ZrO2 比例變化較 AZ10/SiC 高，表示氧化鋯含量增加會提高氧化鋯相變韌化機率。而 氧化 50 小時的試片出現機率提高，可推測是生成的 zircon 與氧化鋁 反應生成 mullite 與氧化鋯，因此使 t-ZrO2比例提高而增加斷裂前後 的Vm比例差。
Fig. 4-8 是 AZ50/SiC 不同氧化時間下的 x 光繞射分析。和 AZ0/SiC、
AZ10/SiC 及 AZ20/SiC 試片不同，氧化後試片主要結晶相是 zircon 和 微量的mullite，可推斷大部分的氧化鋯與氧化矽反應形成 zirocn，這 將使氧化鋯相變韌化機率減低。其中zircon 是氧化矽向外擴散，與基 地中的氧化鋯反應生成。AZ50/SiC 試片測試結果表示於 Table 4。未 氧化試片的前後比例差異最大，破壞強度和破壞韌性測試結果也是最 佳，氧化鋯提供顯著強化效果。此外，可發現氧化後試片的 m-ZrO2
比例極高，而且氧化後的試片前後比例變化是零，猜測是氧化處理降 溫過程中的熱漲冷縮使試片產生大量體積變化，氧化鋯熱膨脹係數比 氧化矽及氧化鋁大，氧化鋯顆粒受到的是拉應力，使試片中的 t-ZrO2
轉變成m-ZrO2，如此一來氧化後的 AZ50/SiC 試片將不會有氧化鋯相 變韌化作用。