準晶塗層材料技術發展與應用現況

 

刊登日期:2019/6/5
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準晶(Quasicrystals)材料在2011年薛契曼教授獲得諾貝爾化學獎後,受到學術研究領域的關注與討論,其應用領域也持續的在拓展。目前準晶材料大部分是金屬元素,但特殊的原子排列結構,卻具有與金屬截然不同的特性。因此不僅可應用在金屬基複材上,更可在表面功能性塗層、耐磨耗、熱阻障層塗層、觸媒、儲氫、熱電材料等應用皆有一席之地。其中因為準晶材料相對硬脆且延展性較低,因此在表面功能性硬質塗層的應用就相對重要。
 
本文將從以下大綱,簡介準晶塗層材料的近期技術發展與其應用現況。
‧準晶材料的研究發展
‧準晶材料特性與應用
‧準晶塗層材料近期的研究發展
‧工研院材化所準晶塗層研發能量
‧結論
 
【內文精選】
準晶材料的研究發展
1984年薛契曼教授(Dan Shechtman)利用急冷凝固方法製備Al-Mn合金時,原本實驗目的是為了得到高強度鋁合金,但是卻在TEM分析時發現了一種奇特的、具有金屬性質的相。這種相具有許多明亮的電子繞射點,表示它有長程的次序,但看不出週期性。除了有五重對稱性外,還可看到二重、三重的對稱性,顯示正二十面體的對稱性。另外在蔡安邦教授的研究中,更指出合成準晶合金材料的機制。除了材料系統元素須符合Hume-Rothery Rule,在製程上更要控制計量的成分,因為要形成準晶的成分相對較精準,所以成分的控制為一重要之關鍵。
 
準晶材料特性與應用
準晶材料因具有別於一般晶體的原子排列結構及獨特的類共價鍵結(Covalentlike),造成電子能態密度與滑移系統和傳統結晶金屬不同。準晶材料形成的元素大多是金屬元素,具準晶結構的合金有低電阻率、低熱傳導率、低摩擦係數、高硬度與低表面能等類陶瓷的特性。相對於金屬合金的特性,準晶更具有高硬度、機械強度、高溫穩定性、低表面能(高疏水(Hydrophobic))等,以及具有觸媒與儲氫效果的優勢。有關準晶材料的特性、優點與潛在應用整理如圖二所示。
 
針對準晶材料進行專利的搜尋, 可以發現雖然準晶材料的發現與研究已超過三十年,但專利的數量隨著年分逐漸增加,並沒有趨緩的現象,顯示準晶材料仍在技術發展期,另一方面也顯示其技術門檻相對較高。而且越後期的專利也較朝應用端發展,包括在觸媒、儲氫與熱電材料相關領域的專利。茲將搜尋的專利篩選分類,整理準晶材料的專利技術與功效如表一所示。
 
準晶塗層材料近期的研究發展
近幾年來在表面披覆膜層(Surface Coatings)材料的發展上,逐漸朝向複合膜層,來提升表面膜層特性並增加功能性。Parsamehr等人利用濺鍍法製備Al-Cu-Fe多層薄膜,透過即時X光繞射圖譜(Insitu XRD),直接即時觀察在不同升溫加熱(~800˚C)與降溫冷卻過程中,Al-Cu-Fe多層薄膜的結晶相變化過程,探討形成準晶結構的機制。首先在矽基板上先成長二氧化矽與三氧化二鋁,再依序濺鍍鋁/銅/鐵薄膜,形成Si/SiO2/Al2O3/Al/Cu/Fe/SiO2多層薄膜。將試片經過高溫800˚C的熱處理,讓多層膜間的Al、Cu、Fe等元素原子互相擴散,即時透過XRD觀察形成的結晶相,如此便能夠清楚地了解各個元素在不同溫度下如何相互作用,以及在這些溫度變化期間的相變化,探討準晶形成的過程機制,實驗結果如圖三所示。
 
圖三、升溫與冷卻過程Al-Cu-Fe多層薄膜的晶相變化
圖三、升溫與冷卻過程Al-Cu-Fe多層薄膜的晶相變化
 
工研院材化所準晶塗層研發能量
工研院材化所在準晶材料的研究上,已針對Al-Cu-Fe合金的熔煉、粉體與膜層的製備進行開發。目前已掌握合成準晶材料結構、成分、硬度與表面特性等關鍵要素,亦掌握關鍵製程技術,開發具準晶結構之預合金塊材、粉體與塗層材料。在Al-Cu-Fe預合金熔煉部分,圖六(a)所示為Al-Cu-Fe預合金截面OM圖,從圖中可以明顯觀察到,許多不同方向的針狀結構產生,底部淺色部分應為鋁合金基底。圖六(b)則為X光繞射圖譜分析結果,由圖中可以發現最高強度的繞射峰在43.6°,表示主要結晶相為β-Al(Cu-Fe),較低強度的繞射峰在42.5°、45.8°為準晶相(i-AlCuFe),而其他38.5°、48.2°應為Al2Cu。初步判斷OM圖中的金相組織與結構,為一針狀結構I-Al-Cu-Fe相嵌鑲在β-Al(Cu-Fe)與Al2Cu基底中的結構組織。在AlCuFe預合金的硬度特性上,也顯現相對高的硬度值,一般鋁合金為~100 HV,AlCuFe預合金的硬度值為630.9 HV。
 
圖六、三元Al-Cu-Fe預合金之(a) OM;(b) X光繞射圖譜
圖六、三元Al-Cu-Fe預合金之(a) OM;(b) X光繞射圖譜
 
將預合金Al-Cu-Fe進行氣體霧化製程(Gas Atomization),製備Al-Cu-Fe合金粉體,如圖七所示,此為氣體霧化Al-Cu-Fe粉體外觀型貌SEM圖。該Al-Cu-Fe合金粉體為氣體霧化法製備,因表面張力的關係,粉體外觀皆呈現圓球體,相對其流動性相當適合進行雷射金屬熔覆製程。在粒徑分布部分,其D10為14.81 μm、D50為43.25 μm、D90為88.79 μm,平均粒徑約~50 μm。在EDS成分分析結果…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:陳泰盛、呂明生、劉武漢、蔡瑋倩/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」390期,更多資料請見下方附檔。

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