以電漿電弧製備奈米碳流體之最佳化研究

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(1)國立臺灣師範大學機電科技學系碩士論文指導教授：鄭慶民博士鄧敦平博士以電漿電弧製備奈米碳流體之最佳化研究 Optimization of the preparation for carbon nanofluid by Plasma Arc to system. 研究生：朱國威撰中華民國. 1 0 2. 年. 8. 月.

(2) 摘要本研究使用電漿電弧設備以氣凝法生產碳奈米流體。碳奈米流體生產的方式是以電漿電弧加熱石墨靶材，藉由氬氣將氣化的碳蒸汽凝結並輸送到蒐集槽的水中形成碳奈米流體。在奈米碳的形貌與粒徑方面分別以掃描式電子顯微鏡與穿透式電子顯微鏡分析碳奈米微粒的形貌與一次粒徑，並使用雷射散射粒徑分析儀進行懸浮於水中的碳微粒之二次粒徑量測。接著利用田口式實驗設計法的望小值分析與直交表 L9 排列找出最具影響的參數因子。以流. 體密度經驗公式計算出碳奈米流體的濃度的含碳量，再以光譜儀量測碳奈米流體在不同光波長的吸收值，經由比對獲得碳奈米流體濃度與吸收值之間的關係。研究結果顯示，本碳奈米流體製造設備可以成功地製造出粒徑在 200~400 nm 之間的碳奈米微粒，最佳化粒徑為 273 nm。最具影響的製程參數因子為脈衝頻率及電漿氣體流量，最佳值分別為 5 Hz 與 1.5 LPM，貢獻率則分別為 48.90 %和 13.14 %。在脈衝頻率 5 Hz 及電漿氣體流量 1 LPM 下發現所製備出的碳奈米微粒有奈米碳管的存在。在光學吸收值與濃度關係分析中可以發現在 900 nm 波長時的吸收值與奈米碳流體濃度呈現線性關係。該關係所繪製出的檢量線可用於未來本製造系統在生產碳奈米流體時可進行快速定量分析。. 關鍵詞：奈米流體、田口式實驗設計法、電漿電弧. i.

(3) Abstract The purpose of the present paper is to obtain carbon nanofluid based on gas condensation methods utilizing plasma arc welding machine. The plasma arc provides the extreme high temperature inside the vaporization chamber, which melts and evaporates the graphite rods. Then the argon (Ar) carries carbon vapor and particles to a collector, where the carbon nanofluid is formed.SEM and TEM were used to analyze the microstructural properties and the particle size. The suspended particle size were measured by a laser-scattering particle size analyzer. The SN ratio and Orthogonal Arrays (OA) L9 of Taguchi methods determined the optimal manufacturing parameters. In order to obtain the carbon content of carbon nanofluid, it is substituted in Fluid formula. Afterward, measured the absorbance at different wavelengths and compared the relation between absorbance and the density of carbon nanofluid. The result shows that the size between 200nm and 400nm of carbon nanofluid is able to be produced by using plasma arc in a one-step synthesis and the optimal size is 273nm. The optimal manufacturing parameters are pulse frequency and plasma gas flow which best value are 5 Hz and 1.5 LPM, having 48.90% and 13.14% in contribution separately. Our data provides evidence that carbon nanotube exists when pulse frequency and plasma gas flow are under best value. The analysis in absorbance and density of carbon nanofluid indicates that these two have a linear relation. For the further study, the calibration curve of the linear relation can be as basic data for the quickly use of quantitative analysis.. Keywords: Nano-fluid, Taguchi method, Plasma Arc. ii.

(4) 誌謝時光匆匆一轉眼又過了兩年而實際上我在師大校園裡整整待了六年之久，從大學部待到碩士班總是得之於人者太多，出之於己者太少，要感謝的人實在太多，我的家人、我的同學朋友們，感謝你們一路的扶持到今天，當然今後也請繼續多多幫忙。本論文特別感謝鄭慶民教授與鄧敦平教授平日悉心指導，不僅學術研討方面、研究正確態度與方法都讓我在學術研究有相當大的成長，新能源與奈米材料熱流與光電實驗室的朝傑、林利，平常都跟你們借設備有勞你們了，本實驗室的白峰毅學長、飛翔學長、嘉瑞學長、浩文學長、尚邦等...從設備的測試到實驗的結果討論，感謝各位的鼎力相助使得本論文得以順利完成。愛因斯坦說過: 一個人的價值，應該看他貢獻什麼，而不應當看他取得什麼。希望未來能學以致用、造福人群，不僅只是學術的領域而是將我所學得的態度方法應用在處事與團隊合作上，以創造更多的社會福祉、增進社會的福利得以回饋貢獻社會，才不會辜負眾人的栽培與期望。. 朱國威謹誌民國 102 年 8 月. iii.

(5) 目錄摘要 ......................................................................................................................... i Abstract ................................................................................................................... ii 誌謝 .......................................................................................................................iii 目錄 ....................................................................................................................... iv 表目錄 ................................................................................................................... vi 圖目錄 .................................................................................................................viii 符號索引 ................................................................................................................ x 第一章. 緒論 .................................................................................................. 1. 1.1. 研究背景與動機 .............................................................................. 1. 1.2. 研究目的 .......................................................................................... 1. 1.3. 研究方法 .......................................................................................... 2. 第二章. 文獻探討 .......................................................................................... 3. 2.1. 奈米材料介紹 .................................................................................. 3. 2.2. 奈米微粒的特性 .............................................................................. 5. 2.3. 碳的特性與應用 ............................................................................ 10. 2.4. 奈米微粒的製程 ............................................................................ 12. 2.5. 製程設備原理 ................................................................................ 23. 2.6. 田口方法 ........................................................................................ 29. 第三章. 實驗方法與流程 ............................................................................ 38. 3.1. 實驗流程 ........................................................................................ 38. 3.2. 製備原理 ........................................................................................ 40. 3.3. 實驗設備裝置 ................................................................................ 40. 3.4. 實驗設備操作步驟 ........................................................................ 45. 3.5. 田口式實驗製程參數設計 ............................................................ 46. 3.6. 流體實驗分析 ................................................................................ 48. iv.

(6) 第四章. 結果與討論 .................................................................................... 56. 4.1. SEM 分析 ....................................................................................... 56. 4.2. TEM 分析....................................................................................... 60. 4.3. 粒徑分析 ........................................................................................ 62. 4.4. 田口法實驗設計分析 .................................................................... 65. 4.5. 流體特性分析 ................................................................................ 70. 第五章. 結論與建議 .................................................................................... 75. 5.1. 尺寸與成份分析 ............................................................................ 75. 5.2. 流體特性應用之分析 .................................................................... 75. 5.3. 建議 ................................................................................................ 76. 參考文獻 .............................................................................................................. 77. v.

(7) 表目錄表 2-1. 不同金屬微粒在不同尺寸下的熔點 ...................................................... 7. 表 2-2. 常見金屬的磁性 ...................................................................................... 9. 表 2-3. 各種奈米氣相製程比較表 .................................................................... 13. 表 2-4. 常見大氣電漿系統之特性列表 ............................................................ 24. 表 2-5. Metals weldable by the plasma arc process. .......................................... 27. 表 2-6 S/N 比歸納表 ......................................................................................... 33 表 2-7. 兩個水準排列所需的實驗次數表 ........................................................ 34. 表 2-8. L4（23）直交表之實驗次數表 ............................................................ 35. 表 2-9. 變異數分析表 ........................................................................................ 36. 表 3-1. 電漿電弧銲機之相關規格 .................................................................... 41. 表 3-2. 石墨/水奈米流體製程參數表 ............................................................... 47. 表 3-3. 石墨/水奈米流體製程控制因子與水準值表....................................... 47. 表 3-4. 田口方法 L9 直交表之因子配置表 ..................................................... 48. 表 3-5. 實驗直交表之配置表 ............................................................................ 48. 表 3-6. 粒徑分析儀規格表 ................................................................................ 49. 表 3-7. 密度計規格表 ........................................................................................ 51. 表 3-8. 黏度計規格表 ........................................................................................ 52. 表 3-9. 熱導率測試儀規格表 ............................................................................ 53. 表 3-10 光譜儀規格表 ........................................................................................ 54 表 4-1. 各個實驗次數下樣本取樣粒徑表 ........................................................ 63. 表 4-2. 望小特性 S/N 比................................................................................... 66. 表 4-3. 水準值 .................................................................................................... 67. 表 4-4. 變異數分析表 ........................................................................................ 68. 表 4-5. 直接量測數值表 .................................................................................... 71. 表 4-6. 各實驗次數下體積濃度表 .................................................................... 71. vi.

(8) 表 4-7. 熱傳導係數比較表 ................................................................................ 72. vii.

(9) 圖目錄圖 2-1 SEM+ EDS 設備實體圖 ..................................... 5 圖 2-2 C60 最佳幾何排列組合 ................................... 11 圖 2-3. 奈米碳管 ............................................... 12. 圖 2-4. 電子束加熱蒸發法原理 ................................... 14. 圖 2-5. 爆炸絲法製程原理圖 ..................................... 16. 圖 2-6. 噴霧電弧法製程系統圖 ................................... 17. 圖 2-7. 濺鍍製程原理 ........................................... 18. 圖 2-8. 濺鍍與蒸鍍粒子的能量比 ................................. 18. 圖 2-9. 球磨法典型技術示意圖 ................................... 21. 圖 2-10 物質四態圖 ............................................. 23 圖 2-11 電弧產生原理 ........................................... 25 圖 2-12 電漿電弧產生原理及電漿引弧實圖 ......................... 26 圖 2-13 蒸發冷凝原理 ........................................... 28 圖 3-1. 電漿電弧氣體冷凝系統 ................................... 38. 圖 3-2. 電漿電弧製備奈米流體系統圖 ............................. 39. 圖 3-3. 實驗設計流程圖 ......................................... 39. 圖 3-4. 電漿電弧冷凝系統示意圖 ................................. 40. 圖 3-5. 電漿電弧銲機及變頻電源設備 ............................. 41. 圖 3-6. 反應腔室本體結構圖 ..................................... 42. 圖 3-7. 可置換式護套設計圖及可調間距設計實體圖 ................. 43. 圖 3-8. 改良後反應腔室實體圖 ................................... 43. 圖 3-9. 冰水機循環系統設備 ..................................... 44. 圖 3-10 多/單層式奈米流體收集器 ................................ 45 圖 3-11 電漿電弧製程操作步驟示意圖 ............................. 46 圖 3-12 HORIBA 動能光散射分析儀 ................................ 50. viii.

(10) 圖 3-13 手持式密度計/比重計(DA-130N) ........................... 51 圖 3-14 Viscolite 700 手提式粘度計 ............................. 52 圖 3-15 便攜式液體熱導率測試儀 KD2 Pro ......................... 53 圖 3-16 UV/VIS/NIR 光譜儀 V-670 ................................ 55 圖 4-1 L1 粒徑影像圖 (X50,000 倍) .............................. 56 圖 4-2 L2 粒徑影像圖 (X10,000 倍) .............................. 56 圖 4-3. L3 粒徑影像圖 (X200,000 倍) ............................. 57. 圖 4-4 L4 粒徑影像圖 (X50,000 倍) .............................. 57 圖 4-5 L5 粒徑影像圖 (X100,000 倍) ............................. 57 圖 4-6 L6 粒徑影像圖 (X10,000 倍) .............................. 58 圖 4-7 L7 粒徑影像圖 (X200,000 倍) ............................. 58 圖 4-8 L8 粒徑影像圖 (X200,000 倍) ............................. 58 圖 4-9 L9 粒徑影像圖 (X200,000 倍) ............................. 59 圖 4-10 奈米碳管影像圖與成分析 ................................. 59 圖 4-11 (a) L1 粒徑影像 TEM 圖 (b) L2 粒徑影像 TEM 圖 ............. 60 圖 4-12 (a) L3 粒徑影像 TEM 圖 (b) L4 粒徑影像 TEM 圖 ............. 60 圖 4-13 (a) L5 粒徑影像 TEM 圖 (b) L6 粒徑影像 TEM 圖 ............. 61 圖 4-14 (a) L7 粒徑影像 TEM 圖 (b) L8 粒徑影像 TEM 圖 ............. 61 圖 4-15 (a) L9 粒徑影像 TEM 圖 (b) 管狀影像 TEM 圖 ............... 61 圖 4-16 各實驗次數下二次粒徑分析圖 ............................. 62 圖 4-19 脈衝頻率 25(Hz)/15(Hz)/5(Hz) 下的粒徑分析表 ............ 64 圖 4-20 電漿氣體流量 2LPM/1.5LPM/1LPM 下的粒徑分析表 ........... 65 圖 4-21 各因子回應圖 ........................................... 69 圖 4-22 電漿氣體流量 1.5(LPM)頻率 5(hz)下的粒徑分析表 ........... 70 圖 4-23 各溫度下流體黏度圖 ..................................... 72. ix.

(11) 符號索引 σo. 摩擦應力. D. 晶粒的平均粒徑. C1. 經驗常數. K. 熔點. . SN比的值，單位為分貝. N. 個數. Yi. 測量值. μ. 為回應值平均值函數. Df. 自由度. S. 變動. V. 變異數. ρ. 貢獻率. S’. 純變動. Pnf. 儀器量測值. Pbf. 去離子水溶液. Pp. 石墨密度值. Φ. 體積濃度. D. 密度(g /cm3). T. 溫度(oC). λ. 波長. x.

(12) 第一章. 緒論. 1.1 研究背景與動機從諾貝爾獎得者費曼所提出的一個問題：「如何將資訊儲存到一個微小的尺度？令人驚訝的是自然界早就解決了這個問題…」。奈米結構是以奈米為尺度的物質單元作為基礎。在自然界中不論是動物或植物在某些構造上已有奈米等級，卻不知奈米將深深影響人類的生活，奈米材料的應用相當的廣泛，從日常生活、航太、醫療、軍事…等，應用範圍小到晶片製程大到航太科技；奈米（nanometer）是一物理量的描述，為長度單位，用 nm表示，正如在機械加工的單位1 厘米 mm即等於100 萬奈米 nm。原子是組成物質的最小單位，自然界中氫原子的直徑最小，非金屬原子直徑一般為0.1~0.2 nm，而金屬原子直徑一般為0.3~0.4 nm。因此，1 nm 大體上相當於數個金屬原子直徑。由幾個至幾百個原子組成或粒徑小於1 nm的原子集合體則稱為「原子簇」或「團簇」（cluster）。電漿電弧銲接是屬於傳統的技術產業，廣用於金屬材料的結合。奈米科技是近年來的新興產業，是當下科技發展的主流，其技術門檻相當高，此研究即應用這兩門技術來製造石墨/水奈米流體並研究其最具影響參數，將傳統設備與奈米科技做結合，使電漿電弧銲接法得以應用更廣泛。奈米微粒大小為奈米數量級，它們的尺寸大於原子團簇，一般尺寸為1~100 奈米。其範圍包含金屬、非金屬、陶瓷材料、高分子材料…等，在各領域的奈米材料更是研發重點，例如生物醫學、微機電、能源、微電子、生物科技與計算機工程…等；即知奈米材料在研發及生產上的重要性。. 1.2 研究目的本論文旨在探討碳奈米微粒的製造研究其最佳化，將現有的奈米流體製程設備改良，利用氣凝法以石墨為靶材進行實驗，配合田口式實驗參數設計. 1.

(13) 法，進一步做微粒之外型尺寸及成份分析，以求最佳奈米等級材料。將現有的奈米流體製程設備改良後之設計特點如下： 1. 縮小搜集瓶之體積，進而增加奈米微粒收集率。 2. 將靶材位置由固定改為可側向移動，以增加材料的始用率。 3. 電極火嘴與坩鍋上靶材之電弧固定在最佳距離，以利實驗參數調整。. 1.3 研究方法本研究利用氣凝法來製備碳奈米流體，選用高精度等級離子電漿電弧銲機為加熱源，將氣化之碳奈米微粒收集到流體收集器中形成碳奈米流體，在實驗過程中利用田口式實驗參數的設計，找出最佳製程參數，來獲得最小及均一粒徑的奈米微粒。再進一步以SEM、EDS、TEM與粒徑分析儀等儀器分析，了解何種製程參數可得最佳奈米微粒尺寸。此外將研究碳奈米流體的特性分析如密度、黏度、熱傳導係數與光譜性質等。. 2.

(14) 第二章. 文獻探討. 2.1 奈米材料介紹今日奈米材料極具重要性，許多研究都指出，當材料的大小控制在奈米的尺寸，這時候的材料不僅物理性質可能與我們原來所瞭解的完全不同，材料的光學性質也會非常不同，而且奈米粒子的光學特性隨著表面所吸附的分子有強烈的改變。更有研究指出超導體材料的超導特性也會受到尺寸的變化而大大的改變，因此在製造的領域中，如何製造出奈米級材料一直非常受到重視。. 2.1.1奈米基本單元奈米材料的基本單元通常分為三類：零維，在空間三維(X, Y, Z)尺度均在奈米尺度，如原子團簇、奈米微粒等。一維，指在空間有兩維(X, Y) 處於奈米尺度，常見的有奈米線(nanowire)、奈米棒、奈米管等，橫截面的兩個方向為奈米級，但在沿著管子的軸線方向可延伸到毫米級。二維，指在三維空間有一維(X)在奈米尺度，如多層膜、超薄膜、超晶格等，在基材（substrate）所鍍的奈米薄膜(nanofilm)指的是在厚度上為奈米級，但是在寬度與長度仍為厘米級。奈米微粒根據結合的形式可分為一次顆粒（primary particle）、二次顆粒（secondary particle）與團簇體（cluster）等三種。一次顆粒是指能分開且獨立存在的最小顆粒，可能是單晶顆粒，若一次顆粒是多晶顆粒，則在一次顆粒內的晶粒間沒有間隙。二次顆粒是利用人為外力讓一次顆粒互相結合變成尺寸較大的顆粒，而在一次顆粒間往往會有間隙，例如粉末冶金就是將一次顆粒製成二次顆粒。團簇體是一次顆粒相接觸時，降低表面能而自然形成較大的顆粒，若利用弱鍵力例如凡德瓦力（van der waals. 3.

(15) force）聚合的團簇體稱為軟團簇體，若用強鍵力如化學鍵連接所形成的團簇體則稱為硬團簇體。. 2.1.2 奈米粒子與團簇「奈米粒子(nanoparticles)」和「奈米團簇(clusters)」之間的差別，這兩個名詞所指的都是極微小的顆粒，而為什麼需要區分團簇和粒子的原因是奈米的尺寸實在非常小，而大小在奈米尺寸的顆粒小到幾個埃(Å，10-10m)，大到幾百個奈米(nm)，這中間尺寸相差到幾千倍。而一般人歸類在奈米粒子的範圍主要是幾奈米到幾十奈米直徑的顆粒，分子團從幾個Å的顆粒到幾十奈米的粒子中間仍然要做許多工作。所以我們將所製造出來的顆粒大小在數十到數千個原子時(也就是幾個Å到奈米左右大小)則用「團簇」較適當，而當顆粒的直徑更大的時候則稱之為「粒子」。從奈米粒子製造的角度，團簇是成核(nucleation)的過程，成核後還要成長才能達到奈米粒子的大小。. 2.1.3 奈米材料的製作一般奈米材料是指材料的幾何形狀達到奈米尺度（定義材料粒子尺寸介於1-100 奈米者，稱之為奈米材料），並具有特殊功能的材料。其類型包括：奈米粒子、奈米管、奈米塊材、奈米薄膜等。奈米材料的製作常分為兩種方法，由下而上的次微米組合法，另一種則是由上而下將大結構鑿刻為小結構用以創造出實體的方法。這些具特殊結構奈米材料，則會產生包括熱性質、表面效應、特殊的光學性質、磁性質及力學性質等和一般材質不同的效應，使得相同的原料可以在加工後產生不同的用途。. 2.1.4 奈米檢測與分析技術人類藉由光學顯微鏡已可達次微米鑑別，現代藉由電子顯微鏡已可達數十奈米，原子力顯微鏡更可觀察到原子的世界，為了在奈米尺度上研究元件. 4.

(16) 和材料的結構與性質，建立奈米檢測與分析技術，以研究各種奈米結構的力、光、電、磁等性質，為奈米科技的基礎，掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscope, SEM)在1935 年由Max Knoll所發明，其特點為具有高解析能力，在低加速電壓(1KV)的條件下，可獲得高解析品質之影像，能提供電子材料、金屬材料等做高倍率觀察，並配置能量色散 X-ray 譜儀(energy dispersive spectrometry, EDS)能做成份元素之特定及半定量分析，此外電腦操控的工作方式，可在分析結果、影像及光譜能將系統化存檔，並由網路傳輸至使用者，為產業及學術界在研發過程中不可或缺的設備，如圖2.1 所示。由奈米粒子所製成的感測器，因為表面活性體數目增加，所造成訊號敏感度增強，另一方面也因為粒徑極小導致孔隙度縮小，此導致訊號傳遞迅速且不受干擾，如此訊號與雜訊比也能有效改善。. 圖2-1 SEM+ EDS 設備實體圖. 2.2 奈米微粒的特性當材料尺寸縮小至奈米尺度時，許多性質會因此而改變，奈米材料的微粒子結構，具有下列的特性：. 5.

(17) 2.2.1 熱傳導係數當薄膜層的厚度減少一定的程度，邊界的散射效應對熱傳導的影響逐漸顯著，故垂直於薄膜方向的熱傳導係數往往隨薄膜的厚度減少而降低。如二氧化矽薄膜的熱傳導係數在膜厚為100 奈米時，就降至塊材材料的十分之一。除了薄膜材料外，奈米流體的熱傳導係數，比流體來的高[1]，再加上奈米微粒在流體中的分散(dispersion)效應，奈米流體會大幅提升純流體的熱傳導係數，至於增強的比例與流體的黏性、奈米微粒的體積比、形狀，及熱傳導係數皆有關。. 2.2.2 材料機械性質在許多實驗證明下，奈米材料與傳統材料相互比較，奈米材料的結構與力學性能有明顯的變化。根據Hall-Petch 的經驗公式[2]，降伏應力( yield stress,σ y )可表為：. 其中σo為摩擦應力，D是晶粒的平均粒徑，及C1是一經驗常數。上式可以得知降伏應力隨晶粒粒徑的變小而增加，但常數C1 並不是在所有的晶粒範圍內都維持為一定值，當晶粒小於次微米，其值隨晶粒尺寸的縮小而變小，最後會趨近於零；而一般而言，材料的硬度會隨著晶粒的尺寸縮小而增大。陳澄河等人[3]將奈米級α-Al2O3 粉加於UV 塗料中，塗佈於PVC 塑膠地板表面，經由紫外光照射硬化後，測試此硬化塗膜的耐磨耗性，當α-Al2O3 含量為6wt%時，其磨耗阻抗達到最高為14%，且UV 塗料(有消光劑和無消光劑)硬化後仍具有良好的透光度。. 6.

(18) 2.2.3 光學性質由於奈米微粒的粒徑小於一般可見光、紫外或紅外光波長時，造成奈米粒子對光散射與反射光量大減，因此可作為透明或隱身材料。金屬奈米粒子的表面等離子體共振，經由導帶電子的連續移動引起，由此產生的光吸收頻率及峰寬與金屬奈米粒子的尺寸及形狀有密切的聯繫，對於貴金屬如Ag、 Au、Cu在可見光區均出現較強的吸收[4]，其餘的過渡金屬僅紫外-可見區出現較弱的吸收。奈米材料對光的吸收率大，可用此特性，將其作為紅外線感測器的材料。. 2.2.4 導電性質材料尺寸小到奈米等級，展現了與一般塊狀材料不同的電子傳輸現象，電子傳輸現象利用量子點（quantum dot）來決定是可以理解的，量子點的尺寸比原子稍大，雖然半導體的原子點是由百萬個原子所組成，事實上大部分的電子都被鍵結在材料的原子核，真正在量子點內且未被鍵結的自由電子數目則只有數個之多，而材料的電子傳導是由這些量子化的電子穿遂現象來決定。. 2.2.5 熔點一般金屬的熔點隨著團簇的尺寸而改變，當團簇的尺寸降到幾十奈米，其熔點也會降低，原因是金屬的熔化皆由物體的表面開始，活化較強的表面原子佔微粒內總原子數的比例會隨微粒尺寸降低而急劇增加。但對於錫的團簇（10 到30 原子數）其熔點比塊材(bulk)還要高50K 左右，主要是團簇的原子排列和塊材有很大的差異。金的塊狀材熔點為1340K，當金的奈米微粒直徑為20 奈米時其熔點即降為800K。表2-1 是不同金屬微粒在不同尺寸下的熔點。表2-1 不同金屬微粒在不同尺寸下的熔點[2]. 7.

(19) 物質種類. 團簇尺寸：直徑(nm)或原子數(個). 熔點(K). 参考文獻. Au. Bulk 300 100 20 2 10-30 個 500 個. 1340 1336 1205 800 600. Buffat 和Borel[5] 尹邦耀[6]. 555 480. Bachels 等人[7]. Bulk 30-45. 600 583. Peppiatt 和. Cds. Bulk 2 1.5. 1678 ≈910 ≈600. Cu. Bulk 20. 1358 ≈312. Tin Pb. Sambles[8] Goldstein 等人[9]. 尹邦耀[6]. 2.2.6 磁性質奈米微粒的尺寸不同，其磁性特徵不同，奈米鐵氧體的磁性研究顯示， 20nm 的純鐵微粒的矯頑力（coercive force）為大鐵塊的1000 倍，當鐵微粒的尺寸縮小到6nm 時，其矯頑力反而降到零，出現如表2-2[2] 所示超順磁性。鐵系氧化物的奈米微粒在粒徑不同時，具有不同程度的磁性，粒徑小於 10nm 時呈現超順磁特性。如微小粒徑的Fe、Co、Ni 等合金具有強烈的磁性，其磁記錄密度非常高，可作為資料儲存的記錄材料。. 8.

(20) 表2-2 常見金屬的磁性金屬種類. 巨觀材料磁性. 團簇磁性. 3d層電子數. K. 順磁性. 鐵磁性. 1. V. 順磁性. Cr. 反鐵磁性. Mn. 反鐵磁性. Fe. 鐵磁性. 超順磁性. 8. Co. 鐵磁性. 超順磁性. 9. Ni. 鐵磁性. 超順磁性. 10. Cu. 反磁性. 5 順磁性. 6 7. 10. 2.2.7 增強韌性剛性無機粒子填充聚合物材料可提高聚合物材料的剛性(rigidity)、耐磨性和硬度等性能，但普通的無機粉體填料在填充聚合物複合材料時增強這些性能的也同時會降低聚合物材料的強度和韌性。奈米無機材料因為粒徑小、比表面大，在聚合物複合材料中，與基體材料間具有很強的結合力，不僅能提高材料的剛性和強度，還同時可以增強韌性。例如，在還氧樹脂(epoxy) 或不飽和樹脂中適當地加入奈米TiO2，可使得材料的缺口衝擊強度成倍增加。奈米材料經特殊的表面化學改良性質後，填充於舊廢電視機外殼材料中，不僅增強增韌廢料，而且改性後材料的伸縮率降低，其流變( rheology ) 性能更好，大大改善材料的加工性能，提高了良品率。. 2.2.8 儲氫性質奈米晶(nano crystal)金屬氫化物(metal hydride)和奈米纖維(nano fiber)、奈米碳管( nano carbontube, NCT)等都是一類新型的儲氫( hydrogen storage ) 材料，其顯著的吸氫性能是由其內部微觀結構(micro structure)與表面結構決定的。完全晶化的充氫合金其微結構為15-20 nm 的奈米晶體，其最大的吸. 9.

(21) 氫容量約3%wt。奈米材料優秀的儲氫性能是表面性能、材料成分、晶粒尺寸、顯微結構等綜合因素的結果。. 2.2.9 潤滑性質奈米材料有耐磨損、減摩擦(friction)等性質。奈米無機鹽粉體、奈米無機單質粉體、氫氧化物粉體、奈米氧化物和奈米陶瓷粉體(ceramic powder)、奈米金屬硫化物以及奈米有機高分子微球(micro sphere)等均可作為抗磨減磨的潤滑材料使用，而且潤滑效果都很好。. 2.3 碳的特性與應用依碳的分子排列方式與分子含的碳原子數可分為石墨、鑽石、碳60與碳管等，而碳簇和奈米碳管是在1980 年代後被發現具有奈米等級的新穎碳同素異形體，這些物質裡隱藏著非常多的可用性，碳簇具有足球狀的結構，呈現碳系材料中相當特殊的n 形半導體特性。如將碳簇分散在共軛高分子中會呈現光導電性，另外奈米碳管具有石墨捲成筒狀的結構，會因為捲曲方式的不同，而具有金屬或半導體等特性。奈米碳管中的碳都是由sp2 鍵結所構成的，碳簇與石墨相同，全部的鍵結都是由sp2混合軌域所成的，碳系材料中是第二個被發現的新物質。相對於石墨全部都是由6 圓環所構成的平面結構，碳簇中5 角環以及6 角環共同存在，形成直徑約為1 奈米的球狀結構（在C60 的情況下），是碳簇與石墨不同的地方，如圖2-2 所示由60 個的碳原子所組成的C60[10]是為人所熟知的結構。. 10.

(22) 圖2-2 C60 最佳幾何排列組合石墨是在應用碳簇是受體的這個特性裝置中，目前在研究的是利用碳簇的太陽能電池，除了用於碳簇薄膜與其他半導體等的研究方向之外，近年來也有研究完全由有機物所構成的太陽能電池。. 2.3.1 石墨 1789年由德國化學家和礦物學家A. G. Werner 所命名[11] ，「石墨 (Graphite)」一字源自於希臘文「Graphein」意為「用來寫」。石墨為六方晶系，碳質元素結晶礦物之一，與鑽石一樣，都是碳的同質異形體，具有耐高溫、導熱、導電、潤滑、抗腐蝕和可塑等優越性能。廣用於冶金工業的高級耐火材料與塗料，其它如機械工業的潤滑劑、輕工業的鉛筆芯、軍事工業火工材料、電池工業的電極、電氣工業的碳刷及肥料工業的催化劑等都有石墨的成份。石墨是非金屬礦物，但具有金屬及有機化合物的性質如高導熱性、高熔點、高化學穩定及具有潤滑與可塑性佳等性質。. 2.3.2 奈米碳管. 11.

(23) 1985年Kroto等人即發現C60的存在而提出了足球模型[12]，此發現對碳化合物的研究有著重大突破，但當時對於C60的特性及其應用發展並不清楚。1991年Iijima[13]發現奈米碳管，才促使此奈米材料進行積極的研究與開發。奈米碳管在物理特性、化學特性或材料特性上均有著顯著的特性，例如：質量輕、高強度、高韌性、具低導通電場、高發射電流密度、高穩定性、高表面積與高熱傳導等。且奈米碳管具有多重的特殊性質因此成為新世紀的關鍵材料之一。奈米碳管是一具有奈米級直徑與長寬高比的石墨管。碳管內徑可從0.4 奈米到數十奈米，長度由數微米至數十微米間，可由單層或多層的石墨層捲曲形成中空管柱狀結構，如圖所示。所形成的中空管柱狀結構主要可分為單層（Single-Wall）碳管與多層（Multi-Wall）碳管兩類，如圖2-3[14]所示。. 圖2-3 奈米碳管. 2.4 奈米微粒的製程在遠古時代，人們就已經會用簡單方法製造和利用奈米材料，中國文房四寶中的墨就含有碳(C)的奈米微粒，其作法為用動物或植物的蠟做成蠟燭，再用光滑的陶瓷(ceramic)在蠟燭火焰的上方收集其煙霧，經冷凝後形成很細的碳粉，這種粉末就是奈米碳粉體，當時雖然並無奈米材料的概念，但. 12.

(24) 人們知道此法所得之粉末，經水調和後即具有良好塗敷性能、流動性能和色澤效果佳的油墨，碳粉是人類最早製造及使用的奈米材料[15]。奈米微粒依製造的過程其物理型態共可分為三大類：分別為液相、氣相及固相，表2-3 為各種氣相製造法之比較，以下為氣、液、固三相各類比較常見的製法作一些簡單的介紹：表2-3 各種奈米氣相製程比較表 Type. Material. Size. Deionized. Reaction. (nm). water temperature. gas. Mode. Plasma arc[16]. Al2O3. 57. 1℃. N/A. Fluid. Arc spray[6]. TiO2. ＜20. 2℃. N/A. Fluid. Multi-beam Laser[17]. Ag. 20-30. --. N/A. Fluid. Electric Explosion Process (EEP)[18]. Al. 20-30. --. He Ar N2. Powder. Microwave Plasma[19]. Diamond/ Graphite. 20-50. N/A. CH4+Ar or CH4+N2. Powder. High-pressure Homogenizer[7]. CB Ag. 45 35. N/A. High-pressure. air Powder. Microwave Plasma[20]. Diamond/ Graphite. 25-50. N/A. CH4+Ar or CH4+N2. Powder. 2.4.1 氣相製造氣相的製造方法一般用於製造金屬奈米材料，金屬塊受高熱氣化，在惰性氣體(inert gas)中冷卻、凝聚(condensed)(或和活潑性氣體反應後再冷卻凝結)而形成奈米微粒，這種方法製造的奈米材料較均勻，細度可控制，藉由. 13.

(25) 一定的技術手段，可得到表面穩定性良好的奈米材料。氣相製造常用的加工法如下：. (1) 電子束加熱法以電子束(electron beam)為加熱源[21]，電子束是在高真空中使用，電子會在電子槍(electronic gun)內藉由陰極放射出來，如圖2-4 所示[54]，電子槍內必須高真空(0.1Pa)，電子束加熱法可用於製備TiN、AlN 等高熔點化合物的奈米微粒，在氣體蒸發法中，用電子束加熱對高熔點金屬或化合物的奈米微粒是非常有效的方法。. 圖2-4 電子束加熱蒸發法原理. (2) 雷射加熱法雷射(laser)為高能量源，作用於各種形態的原料，在加熱時能直接將能量施加於靶材上，由靶材表面剝離物質形成氣態，經冷凝過程而形成奈米粉體，奈米粉體與靶材具有相同的成份與晶相，是製作複合多種金屬離子化合物的有用方法，可合成具有遠紅外線放射的奈米粉體及陶瓷奈米微粒；雷射加熱是奈米微粒製備中很有特色的方法，它具有以下的優點：. 14.

(26) a. 加熱源可以放在系統外，所以它可不受蒸發室的影響。 b. 不論金屬、化合物還是礦物均可用它進行熔融和蒸發。 c. 加熱源(laser)不會受蒸發物質汙染。 Phuoc 等人[17]用多光束雷射熔融法，同時使用多重雷射光束，將雷射放置於一交錯90∘的結構體，將靶材(銀)置於其內同時加入去離子水 (deionized water)，固相到氣相的過程中，因為多重雷射能量的提高而增加了熔融速率，再加上相的轉換是在去離子水中，進而縮短了冷卻的時間，所以可得到更小的奈米微粒。. (3) 電漿電弧法電漿電弧加熱蒸發[16]，利用電漿電弧的高溫對物質加熱蒸發，當溫度高達2,000K 以上，一般物質將呈現大量的高活性原子、離子，且高速（100 ～500m/s）的到金屬或化合物原料表面，促使原料熔融，並大量、迅速地溶解於金屬熔體內，形成過飽和、超飽和及飽和區；這些原子、離子或分子與金屬熔體擴散、對流，進而使金屬蒸發，同時，原子、離子重新結合成分子溢出金屬表面，蒸發出的金屬原子急速冷卻後收集，即為奈米微粒。金屬、合金或金屬化合物（碳化物、氧化物、氮化物）均可經由蒸發 → 氣體反應 → 急冷→ 奈米微粒的方法而得到高熔點、產率大的超微奈米微粒，但電漿射流容易將熔融物質吹飛。. (4) 爆炸絲法爆炸絲法(electric explosion process,EEP)適用連續生產金屬、合金和金屬氧化物奈米粉末，其原理是將金屬絲固定在一個充滿惰性氣體的反應室中，如圖2-5 製程原理圖[21]，絲兩端的卡頭為兩個電極，它們與一個電容相連. 15.

(27) 接形成回路，加25 kV 的高壓，而金屬絲在25 kVA 電流下進行加熱，融斷後在電流中斷的瞬間，在卡頭上的高壓在融斷處放電，熔融的金屬在放電過程中進一步加熱變成蒸氣，與惰性氣體碰撞下形成奈米金屬或合金粒子沉降於容器的底部，金屬絲可以透過一個供絲系統而自動進入兩卡頭之間，進而使上述過程重複進行。. 圖2-5 爆炸絲法製程原理圖. (5) 微波電漿法微波電漿(microwave plasma)奈米微粒合成法系統，可以供達3000℃反應溫度，因為系統有密閉低氣壓反應腔，可以合成包括金屬和金屬的無機化合物，微波電漿也可用於微粒表面改質，將微粒與表面處理的氣態原料[19]如甲烷、氬、氮( CH4, Ar, N2 )通入反應腔中，經由熱分解作用可在微粒表面形成奈米披覆層，形成性能更佳的核殼結構[22]奈米微粒，依製程條件可製作各種表面層的披覆，增加奈米微粒的功能與用途。微波電漿法反應過程，其步驟為[20]：在固定的微波能量引入反應腔體前，須先加入反應氣體CH4+Ar 或CH4+N2 二者之一，再加入適當的氣體流量及壓力，微波能量供給是由桶內緩慢的產生，而使微波電漿在反應腔室內由微弱慢慢轉強，鎢電極球會由最初的藍白色變為藍黃色，原因為微波能量. 16.

(28) 的增加，最後會在電極棒附近會產生紅色的橢圓形狀，當微波能量超過臨界值，將使電極棒產生微波共振效應因而產生高溫的能量。. (6) 噴霧電弧法將正、負兩電極銲線同時送到電極火嘴處，瞬間產生短路之噴狀高溫電弧，熱量可達5,000 – 20,000K，Chang 等人[23]以純鈦( pure titanium)當作電極，並將鈦(Ti)電極放置於真空腔體內的去離子水(deionized water)中，再通電流產生高溫之噴狀電弧，如圖2-6所示[23]，因此獲得氧化鈦(TiO2)之奈米微粒；由實驗證實改變電壓、電流、脈衝頻率和去離子水的溫度等參數都會影響奈米微粒的尺寸與外型真圓度。. 圖2-6 噴霧電弧法製程系統圖. (7) 濺鍍法(屬化學氣相凝結法) 是一種化學氣相凝結法，用於沉積金屬薄膜和介電薄膜，常延用Au、 Pt、Cr、Ti、Al、Ni、Cu、SiO2、ITO、Si3N4 等靶材，其原理為靶材與基板放在腔室中彼此相對應的位置，再將氬氣填入到10-4 到10-2 mbar。靶材和基板相距數毫米距離，當電場施加到靶材和基板電極間時，這時先進中性氣體的部分帶電粒子被加速，分別向陽極和陰極運動，帶電粒子是由於周圍物. 17.

(29) 質和空間幅射，本身的放射性產生。被加速的電子向正極運動中，與中性的氬氣原子碰撞，產生新的電子和離子。這些電子又會依序產生新的電子和離子，如此反覆循環，即形成所需的薄膜。如圖2-7 所示[42]，其過程為：(離子化→ 分解→ 激發)。. 圖2-7 濺鍍製程原理濺鍍之原子有高出10 -100 倍的粒子動能，故黏著薄膜與蒸鍍薄膜相比也有較高的黏度。如圖2-8 所示[42]，此外濺鍍時靶材不用加熱也是其優點，因此，高熔點材料如鈮、鉭、鎢或陶瓷亦可濺鍍。. 圖2-8 濺鍍與蒸鍍粒子的能量比. 18.

(30) Lee 等人[7]用磁控濺射技術製備銀奈米流體，其做法是在真空腔室內，放置具有冷卻系統之液態收集容器，將靶材上濺渡的銀奈米粒子收集到表面有改質劑之液態收集容器內，容器上方有一個旋轉滾輪，利用攪拌滾動的流體力學原理，可效防止奈米微粒凝聚，所製備之銀奈米微粒可小至3 nm。. 2.4.2 液相製造水或者有機溶劑(organic solvent)為介質(medium)，一般情況下因化學變化，產生新的物質，當控制適當的反應條件時即可得到奈米材料，此法能合成多種多樣的複合奈米材料(composite nano material)或奈米材料，但其不足之處是合成的奈米材料會有雜質(impurity)，使其性能產生影響。. (1) 溶膠-凝膠法溶膠(sol)其定義為極小的膠體粒子，其粒徑約在1-100 nm 之間，不考慮重力的影響下，因凡德瓦力(van der waals force)和粒子表面的電荷引起之電雙層作用，產生布朗運動[8]因而均勻分散於液相中，而形成所謂的溶膠。凝膠(gel)其定義為經凝膠化反應後，分子單體形成兩個或兩個以上的鍵結，然後經縮合後逐漸形成大分子或高分子之半固態如果凍之型態，稱之為凝膠。溶膠-凝膠法就是將有機金屬或無機化合物經溶液、溶膠及凝膠而固化，再經由溫熱處理而生成奈米粒子，此法不僅用於製備微粒，而且可用於製備薄膜、複合材料和纖維；其特點為反應物種多、產物顆粒較均一、其過程容易控制、化學均勻性好及高純度等。. (2) 水熱法(hydro-thermal method) 水熱合成法指在高溫、高壓下一些氫氧化物的水中溶解度大於相對應的氧化物在水中的溶解度，氫氧化物溶入水中同時會析出氧化物。若氧化物在高溫高壓下溶解度大於相應的氫氧化物，則將會無法經由水熱法來進行合. 19.

(31) 成。水熱合成法的優點是在可直接生成氧化物，避免液相合成法需要經過煅燒轉化成氧化物的步驟，因而降低乃至避免了硬團聚的形成。 Gautam 等人[9]用水熱還原法(hydro-thermal reduction)，將一銀薄膜材料置於添加還原劑的水中，加熱至300-400 ℃，一個簡單的聚合還原反應Ag+ → Ag，可得10-30 nm 尺寸的銀奈米粒子。. 2.4.3 固相製造一般用於機械合金化製造技術，一定條件下，常規固體材料經由粉碎可得到奈米材料。所製造的奈米材料有限且粒徑也較大，同時奈米材料的細度分布還無法有效控制。. (1) 球磨法氧化物分散增強的超合金是機械摩擦法最初的應用，在粉末冶金工業、陶瓷技術和礦物加工中所使用的基本方法是材料的球磨(ball milling)。球磨技術的主要作用是減小粒子尺寸，大部分是用於加工有限制或相對脆性或硬的材料，其作法是將原料粉體和磨球一起放入攪拌桶內，用高能量球磨機械力的方式，將較粗大的粉粒用以塑性變形，經球磨中材料斷裂、變形和冷銲等過程進而達到合金化的目的，且漸漸擊碎成細粉而將粉體微細化，如圖2-9 [21]為球磨法示意圖。研究顯示若增進球模運動的模式及球磨時間夠長，則包括純金屬、合金、介金屬，甚至原本不互溶的合金，皆能以此方式獲得奈米晶粒大小的微細粉體。此法也可用媒體攪拌粉碎的方式，將粉體導入高速氣流，用氣流對粉體加強壓縮力及摩擦力，或加入表面活性物質等助磨劑，用抑制球磨時產生的聚合反應，以達到粒子微細化的目的；利用球磨法所要考慮的重要問題為界面和表面的污染，特別是在球磨中磨球(一般是鐵)和氣體(氧、氮等)引. 20.

(32) 起的污染，可由縮短球磨時間和採用純淨、延展性好的金屬粉末進而克服。此一技術優點為產量大及技術簡便。. 圖2-9 球磨法典型技術示意圖. (2) 高壓均質法 Lee 等人[7]設計並申請一個專利高壓均質機，應用物理之原理與技術，將尺寸較大之顆粒倒入流體攪拌器內，經高壓均質機處理後形成奈米微粒尺度，其構造內含4個旋轉葉片(1500 rpm)、一個超音波缸、超硬鋼或碳化鎢球粉末音波破碎器(20 kHz,350 W)與攪拌器，並將高壓氣體導入此一專利結構之腔體內，可將粒徑330-585 nm 等級粉末，經由高壓均質處理後，製備出直徑45 nm 之碳黑(Carbon Black, CB)與直徑35 nm 之Ag 奈米微粒。. 2.4.4 製程變化形式綜上所述，目前奈米材料的製程變化形式可歸納為化學法、物理法及物理化學法三大類，在此做簡略的介紹：. (1) 化學法. 21.

(33) 化學法則兼具著基本化學反應、化學反應中物質間原子重新組排，此種過程將決定產品型態，因此有下列化學反應之特徵： A.固體反應之最小反應單元取決於固體粒子的大小。 B.化學反應在限定的接觸部分進行。 C.生成物質之結構與種類將影響到後續的反應。利用化學法製備奈米微粒是指在氣相、液相或固相中透過特定的化學反應程序，諸如化學氣相沉積法( Chemical Vapor Deposition, CVD)，採用與物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition, PVD)法相同的加熱源，將原料(金屬氧化物、氫氧化物、金屬醇鹽 (metal alcohlate)等)轉化為氣相，再經由化學沈澱、微乳液、溶液凝膠、水熱等，產生鬆散或團聚的奈米微粒。其特點是產率高、成本較低；但相對的缺點則是適用材料種類有限、奈米顆粒表面易受雜質污染而影響純度、製程環境易造成污染且難以製備金屬粉體的先驅物。. (2) 物理法物理法之奈米製程通常有粉碎法及構築法兩種，主要牽涉到蒸發、熔融、形變、粒徑變化等物理過程、粉碎法是以塊固體為原料，將塊狀物質利用機械等方法粉碎、細化，得到不同粒徑範圍的奈米粒徑範圍的奈米微粒，構築法則是由細微之原子或分子建構為超微細之人工構築之集合體。應用物理方法製備奈米顆粒，除採用光電技術，使用材料在真空或惰性氣體氣氛中蒸發，然後使細化後之原子或分子冷凝形成奈米微粒外；尚有機械球磨、噴霧等以機械力學為主的奈米微粒製備技術。. (3) 物理化學法其代表為微乳液(micro emulsion)和反相膠束法，利用兩種互不相溶的溶劑(有機溶劑和水溶液)，藉由選擇表面活性劑( surfactant )及控制相對含量，. 22.

(34) 可將其水相液滴尺寸限制在奈米級，不同微乳液滴相互碰撞發生物質交換，在水核中發生化學反應，每個水相微區相當於一個「微反應器(micro reactor)」，限制了產物粒子的大小；更可藉由選擇表面活性劑及助劑來控制水相微區的形狀，從而得到不同形狀的奈米粒子。. 2.5 製程設備原理 2.5.1 電漿簡介物質包括氣、液、固三態。若在氣態時施予足夠能量，令氣體分子離子化為電子、正負電離子等，物質將變成帶電粒子、激態粒子和中性粒子組成的集合體，此一新的物質聚集態，有別於普遍所知的固、液、氣三態，其平均粒子所帶的能量遠高過於其他相態，因而又被稱之為物質第四態如圖2-10 所示[24]，科學家將其命名為電漿(plasma)。. 圖2-10 物質四態圖. 直流電弧電漿(DC arc plasma )乃屬於大氣電漿(常壓電漿)之一種，另包含電暈放電、介電質放電及常壓噴射電漿，如表2-4 所示[25]，大氣電漿指一大氣壓(1 atm)或接近一大氣壓之狀態下所產生之電漿，相較於低壓真空電. 23.

(35) 漿技術，大氣電漿系統比真空(或低壓)電漿系統於成本上有絕對的優勢。就設備成本而言，它不需使用昂貴且龐大之真空腔體與泵浦設備，此技術優勢於顯示器產業更是突出(降低TFT-LCD 面板之製造成本)。目前電漿技術已廣泛地被應用於許多領域，如日常生活中常見的日光燈、霓虹燈、電漿電視，到工業製程的電弧銲接、電離子切割，半導體製程中之電漿鍍膜及電漿蝕刻等，都是電漿應用的實例。. 表2-4 常見大氣電漿系統之特性列表 Atmospheric-pressure jet (常壓噴射電漿) 由一圓管狀金屬電極包圍一金屬電極於管中央，兩電極一端接地一端接電源，利用高流速惰性氣體搭配其它少量欲反應氣體流經圓管內產生穩定電漿。. Non-thermal Plasma (Te>> Ti ≈ Tg). Dielectric barrier discharge (介電質放電) 於兩電極(平板型或圓柱型)間加入一層以上之介電材，並因介電質的存在，故電源只能使用交流電且操作電壓較高(通常10kV 以上)。 Corona (電暈放電) 一般利用針狀或線狀電極對另一平板狀或管狀電極放電，放電通常集中在尖端、細線以及金屬板邊緣。均勻性為此型式尚待解決之議題。. Thermal Plasma (Te≈ Ti≈ Tg). Plasma torch (電漿火炬) 以高電流低電壓之特性進行放電，出口溫度可高至數千度。高溫製程限制基材耐溫性不佳的製程。. 2.5.2 電漿電弧原理. 24.

(36) 兩電極間若施加直流高電壓並慢慢地靠近，當電極靠近到一定距離時即會產生電弧。電弧是一種低電壓、高電流的常壓自持放電，如圖2-11 所示 [26]，電弧柱的溫度相當高，約達5,000 - 6000K，電弧區的氣體受高溫而形成高溫電漿，簡稱為熱電漿(thermal plasma)。若處於強氣流中電弧維持穩定，電弧柱之斷面會產生收縮，因而增大電流密度導致溫度上升，此稱為「熱收束效應」，此外亦可藉由「機械收束效應」(以火口的直徑大小限制電弧柱的直徑)，來提高電漿的能量密度。. 圖2-11 電弧產生原理. 本研究所使用之氣凝合成法即以電漿電弧銲機(Plasma Arc Welding, PAW)為加熱源，其原理如圖2-12[28-29]，乃將欲產生電漿之定量、定速的氣體(highpurity Ar)，迫使流經銲炬中電極和銲嘴的間隙，此時電極與銲嘴間輸入弱高週波和小電流，且由於電極與噴嘴間之電壓促使流經此間隙的氣體分子弧存在於噴嘴外端，即形成 “導弧” (係利用銲炬中之電極尖端與銲嘴內側，通以直流的小電流5-12 A，及起始瞬間微小的高週波3000 Hz，則此時氬氣流經此電極尖端與銲嘴間隙立即形成離子化氣體，當導弧建立後，高週波即自動終止，若銲炬與銲件構成電的通路時，主電弧乃孕運而生)；接著銲件與電極分別連接於電源機二次側之「+」與「─」極上（傳導式電漿銲. 25.

(37) 法），電漿因受熱而發生膨脹，且經指向母材電場加壓，會以極高速率奔向母材，產生柱狀式的壓縮電弧稱為“主電弧”，當此主電弧與冷工件接觸時，氣體離子再度結合為氣體分子且放出大量熱能，利用此主電弧產生16,000 K 以上高溫[27]，使坩鍋內之靶材熔融蒸發。. 圖2-12 電漿電弧產生原理及電漿引弧實圖. 電漿電弧銲接與惰性氣體鎢電極電弧銲 ( tungsten inter gas arc welding,TIG)原理與設備相類似，最大不同處為電漿銲之鎢電極棒不需伸出於噴嘴外，故銲件無電極污染的問題且電弧較TIG 收斂、穩定，另外其穿透性強厚、薄板均適合，目前業界除了精密工件或超薄金屬的銲接使用電漿銲設備，尚未十分普及，因其設備成本較TIG 昂貴許多，其適合銲接之材料也較TIG銲接多元，表2-5 [30]為電漿電弧銲接所適合銲接之材料參考表。. 26.

(38) 表2-5. Metals weldable by the plasma arc process. Base Metal. Weldability. Aluminum. Weldable. Bronze. Possible but not popular. Copper. Weldable. Copper nickel. Weldable. Cast iron, malleable, nodular. Possible but not popular. Wrought iron. Possible but not popular. Lead Possible. but not popular. Magnesium. Possible but not popular. Inconel. Weldable. Nickel. Weldable. Monel. Weldable. Precious metal. Weldable. Low-carbon steel. Weldable. Low-alloy steel. Weldable. High- and medium-carbon steel. Weldable. Alloy steel. Weldable. Stainless steel. Weldable. Tool steel. Weldable. Titanium. Weldable. Tungsten. Weldable. 2.5.3 蒸氣冷凝法蒸發冷凝法如圖2-13[32] 所示，是將合適的材料加熱、蒸發，使成為原子或分子，再使這些分子或原子凝聚，生成細緻的奈米微粒，製程中並沒有化學反應，在蒸發過程中，由於物質原子與惰性氣體原子碰撞而迅速損失能量而冷卻，這種有效的冷卻過程在原物質蒸氣中造成很高的局域過飽和，將導致均勻的成核過程。因此，在接近冷卻棒的過程中，原物質蒸氣首先形成原子簇，然後形成單個奈米微粒，所得產品之粒徑一般在5~100 奈米之範圍，在1980 年代初期，Gleiter[31]等人首先以蒸氣冷凝法製得奈米微粒，在. 27.

(39) 超真空條件下以粉末壓實可得奈米固體。Gleiter 等研究者是在高真空容器內導入固定壓力之氬氣，當金屬原料被蒸發後，金屬粒子被周圍氣體分子碰撞，而在冷凝管凝聚的顆粒大小約有10nm。蒸發冷凝法基本上適用於任何可被蒸發的元素以及化合物，使用氣體蒸發法可藉由調節惰性氣體壓力，蒸發物質的分壓即蒸發溫度(或速率)及惰性氣體的溫度，來控制奈米微粒的大小；常見的加熱蒸發技術有電阻加熱、電子束蒸發、電極蒸發、電漿蒸發、雷射光束蒸發、爆炸絲法等。蒸發冷凝法可製備具下列特徵之奈米微粒： a. 良好結晶及表面淨潔。 b.粒徑分佈均勻。 d.粒徑可調節控制。蒸發冷凝法其整個反應步驟為： 1. 將欲蒸發物質置於坩鍋內。 2. 啟動加熱源逐漸加熱。 3. 原物質產生煙霧(蒸發)。 4. 惰性氣體產生對流，煙霧向上移動。 5. 煙霧流至具有冷凝循環之奈米微粒收集器。. 圖2-13 蒸發冷凝原理. 28.

(40) 2.6 田口方法二次大戰後日本工業產品的品質形象並不好，因此日本人亟思改進之道。於是日本電信實驗室進行一計畫致力改良日本的電信通訊系統，當時田口玄一（Genichi Taguchi）博士於研發部門中負責提高生產力的工作。就在這個時候田口發展了他所謂的品質工程的基本原理。田口方法發明至今，已受到全世界工業界和學術界的肯定和遵崇，至今已得過四次戴明獎。田口方法是一種用來改善品質的工程方法，在日本稱為品質工程（Quality engineering），而在西方國家稱之為田口方法（Taguchi method）或穩健設計（Robust design）。至今，利用田口方法成功改善的廠商以超過數萬家，其中包括日本豐田汽車、日本精工舍、美國全錄（Xerox）以及福特汽車等。而台灣要邁入已開發國家，化工、紡織、機械、電子以及半導體產業先後利用田口方法來改善生產品質，如今已有豐碩的成果[33]。. 2.6.1 品質的定義田口博士認為一個產品的品質定義為『指產品出廠後帶給整個社會（包括製造商、消費者以及社會大眾）的損失，並稱為品質損失（Quality loss），越少的品質損失代表越高的品質』。由此觀念提供了下面三個有效工具，作為研究開發人員的參考準則。一、損失函數：做為評價品質之水準，且以金錢為單位可和成本作比較。二、參數設計：不增加製造成本下，利用因素之非線性的影響而使得特性的偏差減少之設計方法（又稱二階段設計）。三、允差設計：使用變異數分析（ANOVA）以了解各因素之影響程度，配合要因之成本，進而設定各因素之公差，以獲得最適品質[34]。. 29.

(41) 其中以參數設計最能見效，能在有限的開發時間內使產品設計人員，全力改善成本、品質、交貨日期上的問題，以期達到競爭力。其中要能達到技術三要素[35,36,37]：（一）、先行性：在產品企畫之前，對於產品機能提供給設計人員充分的預測。即在產品設計之前，先行技術開發研究。（二）、泛用性：為改善特定產品或生產方法而作之研究，因多數產品為商品群，若一一研究對開發人員造成很大的困擾。若能開發出一製程只需修改其中的參數，就可以達到不同產品的設計。（三）、再現性：在實際生產時的最適設計下的產品在開發完成後，產品能即時導入市場或現場，使得工作現場與實驗室所獲得的品質能夠一致。. 2.6.2 品質特性的內涵品質特性是田口方法中用以評估產品品質的測度（Measure），其特性可以區分為靜態（Static）與動態(Dynamic)。一、靜態特性（目標值固定）（一）、計量特性（Measure Characteristic）：能以連續尺度測量者。 1.望小特性（Smaller-the-better）：產品的品質特性越小越好，目標值為非負趨近零，如磨耗、有害成分、真圓度、噪音的音量。 2.望大特性（Larger-the-better）：產品的品質特性越大越好，目標值為無窮大且非負，如抗拉強度、熱處理後度、壽命等。 3.望目特性（Nominal-the-better）：當產品的品質特性為一特性目標，如尺寸、壓力。（二）、計數特性（Attribute Characteristic）：不能以連續尺度測量者。. 二、動態特性。. 30.

(42) 在輸入與輸出之間存在著一個函數關係為其理想時，我們稱他為動態特性。以汽車為例，為提高車速而踩加速裝置，由於加速裝置而使車速變化，輸入則是加速裝置的踏板。踩踏板的距離與車速之間，存在一個比例關係。動態特性的種類可區分為：零點比例式、基準點比例式及一次式。輸入與輸出之間的函數不相同，其SN比求法亦不同。（一）、零點比例式：特性值會通過原點，即以信號零為校正基準。如：游標卡尺、體重機。（二）、基準點比例式：特性值會通過某個基準點，即有一標準元件作為校正用，此特性值不一定會通過原點。（三）、一次式：特性值一定不會通過原點，但會和特性軸（y軸）有一交點。如色彩調整鈕。. 2.6.3 參數分類對於任何一個產品與製成，設計者可以先繪出參數圖，如圖 2-3.1，將會影響特性值的因素納入考慮。一、控制因素：為了接近理想機能的目標值，設計者能自由選擇控制因素的中心值與水準數，以求得最適之特性值。如：尺寸、材質、時間、電壓、速度等因素。二、信號因素：輸入 M 與輸出 y 間有函數關係為其理想，且輸入 M 可以容易調整，則輸入 M 稱為信號因素（在動態特性才會考慮使用）。如輸入電流、頻率、汽車煞車踏板距離等。三、誤差因素：產品惡化、環境及人為偏差之影響，而導致理想機能產生偏差。此因素是不容易控制或是必須花費高成本控制的參數，但可以在實驗室裡模擬並可以取其水準影響。如環境溫度、濕度變化、磁場影響。. 31.

(43) 2.6.4 信號雜音比在電子通信的領域中，以信號強度S與雜音N的比值，定名為S/N比，用來顯現此通信訊號的優劣。其原始定義為S/N＝PS/PN，其中PS為信號強度，工程人員希望此值越大越好；PN為雜音強度，此值希望越小越好。在田口方法中，田口博士以品質損失為基底，SN比越大表示品質損失越小，因此 S/N比挑選極大化的原則就能找出產品品質損失最低的因素水準組合[38][39] [40]。一、望小特性之SN比計算公式：   10  log10  2. 2-1. 其中  為SN比的值，單位為分貝（dB）. 1 n. n.  2    yi 2 i 1. 2-2. n為個數，yi為測量值二、望大特性之SN比計算公式.   10  log10  2. 2-3. 其中  為SN比的值，單位為分貝（dB）. 2 . 1 n 1  n i 1 yi 2. 2-4. n為個數，yi為測量值. 三、望目特性之SN比計算公式. 32.

(44)   10  l o g10[. 2 ] 2. 2-5. 其中  為SN比的值，單位為分貝（dB）. 1 n     yi n i 1. 2 . 2-6. n 1   ( yi  u ) 2 n  1 i 1. 2-7. 其中n為同組實驗個數，yi為回應值，μ為回應值平均值函數。將望目、望小及望大特性三種特性值整理後，可得表2.6。. 表2-6. S/N比歸納表. 問題型態. 觀察值之範圍. 理想值. 望小特性. 0 y. 0. 望大特性. 0 y. SN 比 1 n. n.   10  log10[   yi 2 ] 1 n. i 1. n.   10  log10[  . . i 1. 1 ] yi 2. 2   10  log10[ 2 ]  望目特性. 0 y. 非零有限. 1 n     yi n i 1. 2 . 33. n 1   ( yi  u ) 2 n  1 i 1.

(45) 2.6.5 直交表在田口方法中直交表為參數設計的主要工具。使用直交表可以檢查產品在下游的再現性，在實驗室的條件下進行改善研究時所獲得的最適水準組合，在下游大規模生產條件是否達到所要的需求。所以在日本主要是以實物設計，並已實際製程與生產方法來進行研究，使其再現性良好。而且使用直交表有下面幾個好處：一、實驗次數較少。二、由直交表實驗所得之結論，在整個實驗範圍裡都是成立。三、分析簡單。各因素的效果只要簡單的計算平均值就可以得到。四、可以用來檢核各因素的效果與總效果是否相同。田口博士將直交表的表示法定為La(bc)，L代表方格、a代表實驗次數（直交表之列數）、b代表各因素之水準數、c代表因數個數。若使用L4（23）之直交表，只需作4次實驗；若使用排列組合要得到最適參數則必須作8次的實驗（三個因素兩個水準需一一搭配）。如表2.7及2.8所示。表2-7 兩個水準排列所需的實驗次數表次數. A. B. C. 結果. 1. 1. 1. 1. y1. 2. 1. 1. 2. y2. 3. 1. 2. 1. y3. 4. 1. 2. 2. y4. 5. 2. 1. 1. y5. 6. 2. 1. 2. y6. 7. 2. 2. 1. y7. 8. 2. 2. 2. y8. 34.

(46) 表2-8 L4（23）直交表之實驗次數表次數. A. B. C. 結果. 1. 1. 1. 1. y1. 2. 1. 2. 2. y2. 3. 2. 1. 2. y3. 4. 2. 2. 1. y4. 直交表的型態分為兩水準系列、三水準系列、主效果行及混合型。一、兩水準系列有：L4（23）、L8（27）、L16（215）二、三水準系列有：L9（34）、L27（313）三、主效果型：L12（211）四、混合型：L18（21 X 37）、L36（211 X 312）在眾多的直交表中各因素間存在交互作用，所以當要作因素間的變更時，應當注意因素間的交互作用。. 2.6.6 數據解析與分析經過實驗後取到不同特性值，根據我們所需的品質特性（望小或望大特性）進行 SN 比計算。計算後製作 SN 比補助表與補助圖，找出最適因素與水準值與重要因素排序。找到最適因素與水準此時再進行一次『確認實驗』，主要是確認所選的最適條件是否具有再現性。通常都使用『半要因推定』作為最適條件的推估，若有再現性則可認為此最適條件能在市場（工廠）中，達到品質目標。一般不使用全要因推定，因為全要因推估的的值太過理想，對品質工程並無太大助益。. 35.

(47) 田口方法中，當推估現行條件與最適條件之增益值與實際確認實驗中現行與最適條件之增益值，兩者差異越小，表示其再現性越高。其差值超過 30％以上，即代表實驗再現性不佳。若推估與確認實驗增益值之差小於 30 ％以下，此最適條件在量產的工廠中，其目標品質能夠再現[41]。. 2.6.7 變異數分析變異數分析（Analysis of Variance,ANOVA）主要是運用統計的分法來判斷每個因素對實驗的影響，進而瞭解哪些因素主要影響實驗的成果。變異數分析如表 2.9。表2-9 變異數分析表要因. 自由度. 變動. 變異數. 純變動. 貢獻率. Df. S. V. S’. ρ. A DfA、B、C. SA、B、C. VA、B、C. S’ A、B、C. ρA、B、C. e. Dfe. Se. Ve. Se’. ρe. 總和. TDf. ST’. SeT’. 100%. B C. 一、自由度（Df）：一般而言要因的自由度等於其水準數減 1。二、變動（S）：某一實驗之數據減掉平均值後的平方總和。. SA＝. nr n  y  y 2  L n 1. 2-8. 其中 n 是代表幾組實驗，r 代表幾個實驗數據，L 代表 A 因素的水準數。. n. ST’＝  i 1. r.   y j 1. 2 ij.   n  r  . y. 2. 2-9. 36.

(48) 三、變異數（V）：不論因子水準平均數是否相等，變異數的隨機誤差是不偏估計值。 V＝. S Df. 2-10. 四、純變動（S’）：由一因子所引起的變異包含某些誤差量。. S’＝S–(Df х Ve). 2-11. 五、貢獻率（ρ）：用明確的數據來顯示要因的重要性。. S' ρ＝ S ’ х 100％ T. 2-12. 37.

(49) 第三章. 實驗方法與流程. 3.1 實驗流程本研究從參考過去的文獻探討，選擇調整電流量、氣體通量及相關影響參數搭配田口式實驗設計法找出此實驗的最佳化參數如圖3.3 所示，整個實驗設計流程如下：第一部份 - 參考過去文獻及研究，將現有設備再改量研發、設計一套電漿電弧氣體冷凝系統如圖3-1[42] 所示，以製備出石墨/水奈米流體。. 圖3-1 電漿電弧氣體冷凝系統第二部份 - 透過週邊系統的組裝，包含冷卻系統、流體收集器製作、氣體供應系統，去結合電漿電弧設備如圖3-2[42]所示，再利用參數的設定來進行實驗，逐步改良來獲得最佳石墨/水奈米流體。. 38.

(50) 第三部份 - 使用精密儀器如SEM、EDS 及粒徑分析儀來檢測奈米微粒之尺寸、外形及成份分析，搭配田口式實驗設計進而達到最佳奈米微粒。. 圖3-2 電漿電弧製備奈米流體系統圖. 圖3-3 實驗設計流程圖. 39.

(51) 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：. 40.

(52) 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]. 41.

(53) 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. 42.

(54) 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. 43.

(55) 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。. 44.

(56) 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). 45.

(57) (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. 46.

(58) 為此次設計的相關控制因子與其水準值，然後使用L9（34）直交表排列如表 3-4。表3-2 石墨/水奈米流體製程參數表製程參數鐵網. 無~多層. 電流. 60~80A). 電漿脈衝頻率. 5~25(hz). 電漿氣體流量. 1~2(LPM). 電弧間距. 8(mm). 電弧保持時間. 20(s). 總電弧作用時間. 2(min). 搜集器溫度. 常溫. 反應氣體. Ar. 反應氣體流量. 5LPM. 電漿氣體. High purity Ar. 保護氣體流量. 7LPM. 表3-3 石墨/水奈米流體製程控制因子與水準值表水準值 1. 2. 3. A. 鐵網. 無. 單層. 多層. B. 銲接電流(A). 80. 70. 60. C. 脈衝頻率(Hz). 25. 15. 5. D. 電漿氣體流量(lpm). 2. 1.5. 1. 控制因子. 47.

(59) 表3-4 田口方法L9直交表之因子配置表因子. A. B. C. D. L1. 1. 1. 1. 1. L2. 1. 2. 2. 2. L3. 1. 3. 3. 3. L4. 2. 1. 2. 3. L5. 2. 2. 3. 1. L6. 2. 3. 1. 2. L7. 3. 1. 3. 2. L8. 3. 2. 1. 3. L9. 3. 3. 2. 1. 實驗. 表3-5 實驗直交表之配置表因子實驗. A. 鐵網. B. 銲接電流 (A). C. 脈衝頻率 D. 電漿氣體流量 (Hz). (LPM). L1. 無. 80 A. 25 hz. 2 LPM. L2. 無. 70 A. 15 hz. 1.5 LPM. L3. 無. 60 A. 5 hz. 1LPM. L4. 單層. 80 A. 15 hz. 1LPM. L5. 單層. 70 A. 5 hz. 2 LPM. L6. 單層. 60 A. 25 hz. 1.5 LPM. L7. 多層. 80 A. 5 hz. 1.5 LPM. L8. 多層. 70 A. 25 hz. 1LPM. L9. 多層. 60 A. 15 hz. 2 LPM. 3.6 流體實驗分析本實驗製造出石墨-水奈米流體，進一步分析其流體內奈米粒子的粒徑大小、密度、黏性、熱傳導性質與光譜性質所使用的實驗設備裝置如下:. 3.6.1 粒徑分析. 48.