圖一、電弧裝置示意圖。
圖二、鍊狀氧化鋁顆粒TEM相片之一。
圖三、鍊狀氧化鋁顆粒TEM相片之二。
圖四、燒結的氧化鋁顆粒TEM相片。
| 奈米晶粒材料 |
| 超微晶粒材料也被稱為奈米晶粒材料(nanocrystalline materials)，是將材料的原料顆粒大小縮小 |
| 至直徑只有1-100 nm的新種類材料。若按照材料在使用時的空間型態來分，可分成零維的顆粒狀 |
| 、一維的薄互層狀、二維的薄膜狀與三維的塊體狀，後者又被稱為奈米相材料(nanophase |
| materials)。這類材料大多使用早就存在的物質（例如：一般金屬合金、陶瓷、半導體等），再經 |
| 過特殊的製程（例如：蒸發沈澱法、物理和化學濺鍍法、溶液反應法等），製造出超微晶粒的原 |
| 料來加以應用。其特殊的性質是來自極大的表面積與相對較小的晶粒。 |
| 燒結作用是材料科學中極為重要的一環，將粉末狀原料顆粒壓製成的塊體高溫燒製成具有 |
| 高強度的物體。根據燒結理論的預測，超微晶粒在燒結成塊體時（即奈米相材料），傳統燒結模 |
| 型中針對較大顆粒（大於1�慆）的燒結機制不再有效，其他原本較弱的機制會變的重要。這種 |
| 預測在實驗上較難證實，主要問題是原料必須非常純淨（因為雜質對燒結的影響極大，尤其在超 |
| 微顆粒尺度其影響更不可忽略）。所以在研究超微顆粒的燒結機制時，必須先能製造出非常乾淨 |
| 的原料超微顆粒。檢視所有的製造方式，在超高真空環境之物理式蒸發沈澱法可以達到此要求。 |
| 也因為希望能製出相當數量的顆粒以供測試，所以採用的熱源為電弧法。 |
| 氧化鋁是一種化學性質非常穩定的陶瓷材料，天然礦物剛玉就是�悇萛韙ⅹT，穩定溫度約 |
| 在攝氏1100oC以上。在從天然含鋁氫氧化物中製成�悇萛韙ⅹT的過程中，會產生過渡性氧化鋁， |
| 其結晶構造與種類非常複雜，通稱為γ相氧化鋁。其中典型的γ相氧化鋁為立方晶系尖晶石構造 |
| 。本研究即是利用電弧法製造出雜質極少的γ相氧化鋁的超微顆粒，粒徑大多在20-50 nm之間。 |
| 本實驗之設計包括超真空爐系統與電弧裝置兩個主要部份（本文將僅討論電弧裝置）。圖 |
| 一之電弧裝置示意圖顯示裝在真空系統封合(flange)上由高純度鋁線與鋁板所構成的電弧架構。操 |
| 作時整個電弧系統被置於總壓約6-14 kPa的20% O2/Ar氣氛中，以60 V、0.87 A的直流電產生約50瓦 |
| 的電弧。電弧的高熱會使部份鋁金屬蒸發，並立即與氧氣結合成超微氧化鋁顆粒。這些顆粒會彼 |
| 此黏著成為鍊狀。圖二顯示較低放大倍率的氧化鋁鍊，圖三則為較高倍率相片，由圖中之比例尺 |
| 可以看出顆粒大小相當一致。 |
| 為避免外在環境的污染並且能觀察到正確的實驗結果，本實驗採用超高真空H9000穿透式電 |
| 子顯微鏡(TEM)來檢驗所得到的超微晶粒。圖三是幾個晶粒經初期燒結後相連接的高解析度 |
| TEM相片，其中結晶構造、雙晶面、接合頸部都清楚可見。經過電腦程式模擬顆粒的型態，發現 |
| 表面擴散作用是造成燒結的主要機制，其他會造成收縮的機制如晶界擴散作用則不顯著，這個結 |
| 果非常符合先前理論的預測。 |
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圖一、電弧裝置示意圖。 |
圖二、鍊狀氧化鋁顆粒TEM相片之一。 |
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圖三、鍊狀氧化鋁顆粒TEM相片之二。 |
圖四、燒結的氧化鋁顆粒TEM相片。 |
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