石墨烯/奈米氮化矽複合陶瓷材料之機械性質的研究

Translated title of the thesis: Investigation of the mechanical properties of Si3N4/ Graphene nanocomposites
  • 林 樞宇

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

本研究採用非晶氮化矽、結晶化β相氮化矽與石墨烯等奈米粉體為起始原料,利用製程參數的調整,形成單一相氮化矽的燒結體,並從中選擇適當的粉體作為起始原料,配合火花電漿燒結技術,製備石墨烯/氮化矽基奈米複合陶瓷,藉由壓痕技術探討石墨烯添加量對氮化矽機械性質的影響。 為了製備單一相氮化矽,首先利用碳熱還原處理減低非晶氮化矽粉體中的氧含量,進而抑制燒結體內氧氮化矽之第二相的生成。研究結果顯示:添加碳黑之試樣在熱處理溫度1400 0C,持溫時間10小時下,能有效與氮化矽粉體進行碳熱還原,大幅降低燒結體中氧氮化矽的含量;當碳黑添加量從3 wt%增加至5 wt%時,形成單一相氮化矽。並與不需要碳熱還原處理即能燒結出單一相的結晶化β相氮化矽粉體作燒結體機械性質的比較。 結合微結構的觀察和維氏硬度測試,評估此兩種單一相氮化矽陶瓷的機械性質。結果顯示:非晶氮化矽粉末經過碳熱處理後,部分結晶化造成起始粉末相組成的差異,傾向形成高長寬軸比的晶粒分佈在等軸狀基材中,晶粒尺寸分佈為雙峰曲線,此方法雖能製備出單一相氮化矽,但燒結試樣殘留?多的孔洞,導致機械性質的大幅下降;反之摻雜較多助燒結劑的結晶化氮化矽粉末,燒結體的孔隙率低,較小的晶粒尺寸,導致燒結體具有較高的硬度,故後續將使用結晶化氮化矽粉體作為製備石墨烯/氮化矽奈米複合陶瓷的材料設計選擇。 經由沈降實驗找出分散添加物石墨烯的最佳溶劑組合,實驗結果顯示:石墨烯在添加了2 Vol%六甲基二矽氮烷(Hexamethydislizane HMDS)的酒精中得到最好的分散效果。此外,藉由紅外線光譜分析HMDS和氮化矽粉體間的鍵結發現,HMDS上親電子的Si能有效的在氮化矽粉體表面去除Si-OH鍵,形成粉體表面甲基化,說明此高分子可能扮演氮化矽和石墨烯粉體混合中架橋的角色。 在石墨烯/氮化矽奈米複合陶瓷的部分,添加2 wt%石墨烯於基材中,能使破裂韌性值從5 0提昇至6 3 MPa*m1/2。藉由壓痕裂縫軌跡發現,石墨烯的添加對氮化矽的韌化機制,在壓頭所造成的破壞區域產生較多的微裂縫,顯示較多破壞能在此區域的石墨烯和氮化矽界面中釋放;鑲嵌在玻璃相中各種不同排列方向的多層石墨烯,使得裂縫產生偏折和分支。此外,從裂縫內可觀察到平行和垂直試片表面的石墨烯產生的裂縫架橋,裂縫方向的改變和架橋效應使得裂縫傳播的過程中能量被分散,而提昇了氮化矽陶瓷抵抗裂縫破壞的能力。
Date of Award2015 Feb 10
Original languageChinese
SupervisorJow-Lay Huang (Supervisor)

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石墨烯/奈米氮化矽複合陶瓷材料之機械性質的研究
樞宇, 林. (Author). 2015 Feb 10

Student thesis: Master's Thesis