TWI727266B - 金屬陶瓷複合材料及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露內容的實施例提供一種金屬陶瓷複合材料及其形成方法。金屬陶瓷複合材料包含金屬本體、複數個金屬氧化物奈米顆粒、以及複數個陶瓷顆粒。金屬本體包含一種金屬材料，此金屬材料具有第一表面能。金屬氧化物奈米顆粒和陶瓷顆粒分散於金屬本體中。陶瓷顆粒具有第二表面能，第二表面能高於第一表面能。

Description

金屬陶瓷複合材料及其形成方法
本揭露內容是有關於一種金屬陶瓷複合材料以及金屬陶瓷複合材料的形成方法。
隨著油價上升以及諸如節能減碳等等的能源環保因素，在2008年時，歐洲已推動了Clean Sky聯合技術計畫(Joint Technology Initiative，JTI)，用來提升歐洲的飛行器和空中運輸的科技表現。這個計畫的目的是在定義未來航空產業的發展方向，其中包含降低油耗與減噪，例如針對下世代的飛行器減少50%的碳排放量，減少80%的一氧化碳排放量，以及降低50%的引擎噪音，而這些具體目標預期在2020年達成。在這方面，可透過使用輕量化元件來達到減輕重量與提升飛行效率。研發輕量化的材料與結構設計，已逐漸成為目前機體減重的主要發展重點。
除了航太科技中的輕量化元件的開發之外，汽車產業亦逐漸轉向在引擎系統中採用輕量化元件。例如，汽車渦輪增壓系統中的葉輪具有複雜的形狀，可望將輕量化元件運用於葉輪以提升運轉效率。
輕量化元件無論應用在航太科技或汽車工業，均需要具有良好的機械性質，例如拉伸強度、硬度、和剛性等。
因此，隨著上述漸增的需求，研究者均致力於研究與開發具有所需機械性質的輕量化元件。
本揭露內容是有關於一種金屬陶瓷複合材料以及一種金屬陶瓷複合材料的形成方法。在實施例中，在金屬陶瓷複合材料中，金屬氧化物奈米顆粒分散在金屬本體中，提升了具有相對低表面能的金屬材料以及具有相對高表面能的陶瓷顆粒之間的相容性，使得陶瓷顆粒可以更加均勻地分散在金屬本體中，因此可以有效地提升金屬陶瓷複合材料的硬度，且可以增加金屬陶瓷複合材料的機械強度與剛性。
根據本揭露內容之一實施例，提出一種金屬陶瓷複合材料。金屬陶瓷複合材料包含金屬本體、複數個金屬氧化物奈米顆粒、以及複數個陶瓷顆粒。金屬本體包含一種金屬材料，此金屬材料具有第一表面能。金屬氧化物奈米顆粒和陶瓷顆粒分散於金屬本體中。陶瓷顆粒具有第二表面能，第二表面能高於第一表面能。
根據本揭露內容之另一實施例，提出一種金屬陶瓷複合材料的形成方法。此方法包含以下步驟：將金屬起始材料與複數個陶瓷顆粒混合以形成混合物，其中金屬起始材料包含金屬粉體和金屬氧化物中介層(interlayer)，金屬氧化物中介層形成於該屬粉體的表面上，金屬粉體包含一種金屬材料，此金屬材料具有第一表面能，陶瓷顆粒具有第二表面能，第二表面能高於第一表面能；對混合物進行預處理反應，以形成預處理混合物，其中預處理混合物中的陶瓷顆粒附接至金屬氧化物中介層；以及對預處理混合物進行加工製程，以形成金屬陶瓷複合材料。
在本揭露內容的實施例中，在金屬陶瓷複合材料中，金屬氧化物奈米顆粒分散在金屬本體中，提升了具有相對低表面能的金屬材料以及具有相對高表面能的陶瓷顆粒之間的相容性，使得陶瓷顆粒可以更加均勻地分散在金屬本體中。因此，可以有效地提升金屬陶瓷複合材料的硬度，且可以增加金屬陶瓷複合材料的機械強度與剛性。以下詳細敘述本揭露內容之實施例。實施例所提出的特定結構與組成僅為舉例說明之用，並非對本揭露內容欲保護之範圍做限縮。具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對此些結構與組成加以修飾或變化。
除非本文中另有清楚地指明，否則此處所使用的單數形式「一」和「該」也包含複數形式。可進一步瞭解的是，當說明書中使用「包括」及/或「包含」等用語，是為了指出所述的特徵部件、步驟、操作、元件、及/或構件的存在，但不排除額外的一或多個其他特徵部件、步驟、操作、元件、構件及/或上述組合的存在。
說明書全文中的用語「一種實施例」或「一實施例」表示在實施例中描述到的特定特徵部件、結構、或特性至少包含在一實施例中。因此，說明書的全文的不同段落中所出現的片語「在一種實施例中」或「在一實施例中」不一定表示是相同的實施例。此外，特定的特徵部件、結構、或特性可透過任何合適的方法結合在一或多個的實施例中。需理解的是，以下圖式中並未根據實際比例繪示，而僅僅用以示意。
第1A圖是根據本揭露內容之一實施例的金屬陶瓷複合材料10的示意圖，第1B圖是第1A圖中的區域1B的放大示意圖。如第1A~1B圖所示，金屬陶瓷複合材料10包含金屬本體100、複數個金屬氧化物奈米顆粒200、以及複數個陶瓷顆粒300。金屬本體100包含一種金屬材料，此金屬材料具有第一表面能。金屬氧化物奈米顆粒200和陶瓷顆粒300分散於金屬本體100中。陶瓷顆粒300具有第二表面能，第二表面能高於第一表面能。
根據本揭露內容之實施例，金屬氧化物奈米顆粒200分散在金屬本體100中，提升了具有相對低表面能的金屬材料以及具有相對高表面能的陶瓷顆粒300之間的相容性，使得陶瓷顆粒300可以更加均勻地分散在金屬本體100中。這可以有效地提升金屬陶瓷複合材料10的硬度，且可以增加金屬陶瓷複合材料10的機械強度與剛性。
根據本揭露內容之實施例，具有第一表面能的金屬材料可包含金屬或合金。舉例而言，在一些實施例中，具有第一表面能的金屬材料可包含鋁(Al)、銅(Cu)、鐵(Fe)、矽(Si)、鈷(Co)、鉛(Pb)、上述任意金屬的合金、或上述的任意組合。
在實施例中，陶瓷顆粒300可包含碳化矽(SiC)、鎢化矽(WC)、或上述的組合。在一些實施例中，如第1A~1B圖所示，陶瓷顆粒300的顆粒尺寸D1可以是約0.5微米(μm)至約20微米。在一些實施例中，如第1A~1B圖所示，陶瓷顆粒300的顆粒尺寸D1可以是約1微米至約10微米。在一些實施例中，如第1A~1B圖所示，陶瓷顆粒300的顆粒尺寸D1可以是約2微米至約5微米。
根據本揭露內容之一些實施例，陶瓷顆粒300的顆粒尺寸D1相對較小，例如是等於或小於10微米。如此一來，在金屬本體100的一個單位體積中，可以具有相對較大數目的陶瓷顆粒300分散在其中，這使得陶瓷顆粒300在金屬本體的微結構之中可具有較佳的分散性。因此，這使得陶瓷顆粒300能夠更有效地且更均勻地達到強化金屬陶瓷複合材料10的效果。
在實施例中，金屬氧化物奈米顆粒200可包含氧化鋁、氧化銅、氧化鐵、氧化矽、氧化鈷、氧化鉛、或上述的任意組合。在一些實施例中，如第1B圖所示，金屬氧化物奈米顆粒200的顆粒尺寸D2可以是約3奈米至約50奈米。
在一些實施例中，金屬氧化物奈米顆粒200可以是由具有第一表面能的金屬材料的原生氧化層所形成。舉例而言，在一些實施例中，金屬材料可以是鋁，則金屬氧化物奈米顆粒200可以是氧化鋁奈米顆粒。
在一些實施例中，第一表面能可以是小於1.5焦耳/平方公尺(J/m2 )，且第二表面能可以是大於2焦耳/平方公尺。由此，在一些實施例中，第一表面能與第二表面能之間的差值大於0.5焦耳/平方公尺。
在一些實施例中，第一表面能可以是小於1.0焦耳/平方公尺(J/m2 )，且第二表面能可以是大於2.5焦耳/平方公尺。由此，在一些實施例中，第一表面能與第二表面能之間的差值大於1.5焦耳/平方公尺。
在一些實施例中，金屬本體100的金屬材料可以是具有表面能為約0.84焦耳/平方公尺的鋁或鋁合金。在一些實施例中，金屬本體100的金屬材料可以是具有表面能為約1.24焦耳/平方公尺的矽。
在一些實施例中，陶瓷顆粒300可以是具有表面能為約3.2焦耳/平方公尺的碳化矽。在一些實施例中，陶瓷顆粒300可以是具有表面能為約1.6焦耳/平方公尺至8.7焦耳/平方公尺的鎢化矽。
在一些實施例中，金屬氧化物奈米顆粒具有第三表面能，且第二表面能與第三表面能之間的差值可以是小於1焦耳/平方公尺。在一些其他實施例中，第二表面能與第三表面能之間的差值可以是小於0.5焦耳/平方公尺。
根據本揭露內容之一些實施例，金屬氧化物奈米顆粒200的表面能與陶瓷顆粒300的表面能之間的差值相對較小，這有利於金屬氧化物奈米顆粒200與陶瓷顆粒300之間的反應與鍵結，而這些反應與鍵結使得陶瓷顆粒300在金屬氧化物奈米顆粒200的幫助之下，可以更容易地分散在金屬本體100中。因此，根據本揭露內容之一些實施例，第二表面能與第三表面能之間的差值越小，金屬氧化物奈米顆粒200對於金屬材料與陶瓷顆粒300之間的相容性便可以提供更佳的增強效果。
在一些實施例中，金屬氧化物奈米顆粒200可以是具有表面能為約2.0焦耳/平方公尺至4.0焦耳/平方公尺的氧化鋁奈米顆粒。
在一些實施例中，如第1A~1B圖所示，金屬陶瓷複合材料10具有複數個晶粒10A與複數個晶界10B，且金屬氧化物奈米顆粒200可形成於晶界10B之中。在一些實施例中，更具體而言，一部份的金屬氧化物奈米顆粒200可形成於晶界10B之中，而另一部份的金屬氧化物奈米顆粒200可以鍵結至分散於晶粒10A中的陶瓷顆粒300。
在一些實施例中，金屬氧化物奈米顆粒200的含量佔金屬陶瓷複合材料10的體積百分比可以是小於約2 vol.%。在一些實施例中，金屬氧化物奈米顆粒200的含量佔金屬陶瓷複合材料10的體積百分比可以是小於約1 vol.%。在一些實施例中，金屬氧化物奈米顆粒200的含量佔金屬陶瓷複合材料10的體積百分比可以是約0.1 vol.%至1 vol.%。
根據本揭露內容之一些實施例，若金屬氧化物奈米顆粒200的含量超過金屬陶瓷複合材料10的體積百分比2 vol.%，則金屬陶瓷複合材料10的整個結構可能因為具有過多的金屬氧化物奈米顆粒200而變得太脆，而這可能會導致降低金屬陶瓷複合材料10的機械強度。因此，金屬氧化物奈米顆粒200的含量佔金屬陶瓷複合材料10的體積百分比約0.1 vol.%至1 vol.%，可以在不破壞金屬陶瓷複合材料10的機械性質之下，提升金屬本體100的金屬材料與陶瓷顆粒300之間的相容性。
在一些實施例中，金屬氧化物奈米顆粒300與具有第一表面能的金屬材料的總含量佔金屬陶瓷複合材料10的體積百分比可以是約70~97 vol.%。
在一些實施例中，陶瓷顆粒300的含量佔金屬陶瓷複合材料10的體積百分比可以是約3~30 vol.%。
根據本揭露內容之一些實施例，若陶瓷顆粒300的含量少於金屬陶瓷複合材料10的體積百分比3 vol.%，則形成的金屬陶瓷複合材料10可能會具有較低的機械強度與剛性。若陶瓷顆粒300的含量超過金屬陶瓷複合材料10的體積百分比30 vol.%，即使剛性獲得大幅提升，但形成的金屬陶瓷複合材料10可能會具有較低的拉伸強度。因此，陶瓷顆粒300的含量佔金屬陶瓷複合材料10的體積百分比約3~30 vol.%，可以使得金屬陶瓷複合材料10不僅具有優異的機械強度與剛性，且具有提升的拉伸強度。
根據本揭露內容之實施例，提供一種金屬陶瓷複合材料10的形成方法。
根據本揭露內容之實施例，金屬陶瓷複合材料10的形成方法包含將金屬起始材料20與複數個陶瓷顆粒300混合以形成一種混合物、以及對此混合物進行預處理反應以形成一種預處理混合物30。
第2圖是根據本揭露內容之一實施例的金屬起始材料的示意圖，第3圖是根據本揭露內容之一實施例的預處理混合物的示意圖。本實施例中與前述實施例相同或相似的元件係沿用同樣或相似的元件標號，且相同或相似元件的相關說明請參考前述，在此不再贅述。
實施例中，如第2圖所示，金屬起始材料20包含金屬粉體220和金屬氧化物中介層(interlayer)210，金屬氧化物中介層210形成於金屬粉體220的表面220A上，且金屬粉體220包含一種金屬材料，此金屬材料具有第一表面能。在實施例中，陶瓷顆粒300的第二表面能高於金屬粉體220的金屬材料的第一表面能。具有第一表面能的金屬材料以及具有第二表面能的陶瓷顆粒300的細節如前所述，在此不再贅述。
實施例中，如第3圖所示，進行預處理反應之後，預處理混合物30中的陶瓷顆粒300附接至金屬氧化物中介層210。
目前一般而言，通常是在高溫下將強化相材料(reinforcing phase material)與金屬材料混合攪拌後形成強化金屬熔化物(melt)，以進一步形成強化金屬材料(reinforced metal material)。然而，強化相材料的表面能與金屬材料的表面能之間具有相當大的差異，使得熔化物中會形成顆粒團聚(particle aggregations)，且強化相材料的分散性會不佳。即使在高速攪拌之下，也只有具有大顆粒尺寸的強化相材料能分散至熔化物中。並且，此種方法也會產生其他問題，也就是高速攪拌會使得大量的在熔化物表面上形成的氧化物被攪拌進強化金屬熔化物中，而非預期性地增加了強化金屬熔化物的黏度。增加的黏度與增加的氧含量對於之後的加工製程以及所形成的強化金屬材料的機械性質都是不利的。
根據本揭露內容之實施例，金屬氧化物中介層210形成於金屬粉體220的表面220A上，使得混合物中的陶瓷顆粒300可以輕易地接觸金屬起始材料20的金屬氧化物中介層210。然後，當進行預處理反應之後，陶瓷顆粒300便會受到驅使，例如是經由化學鍵結的方式而附接至預處理混合物30中的金屬氧化物中介層210及/或金屬氧化物中介層210的碎片。由於金屬粉體220良好地分散在預處理混合物30中，因此陶瓷顆粒300便可以隨著位於金屬粉體220上的金屬氧化物中介層210及/或金屬氧化物中介層210的碎片而均勻地分散在預處理混合物30中。如此一來，金屬氧化物中介層210提升了具有相對低表面能的金屬材料以及具有相對高表面能的陶瓷顆粒300之間的相容性。因此，根據本揭露內容之實施例的混合物及預處理步驟的設計，預處理混合物30中的陶瓷顆粒300均勻地分散在金屬材料之中，因而可以提供良好的機械強度與剛性，而適於後續的加工製程。
在一些實施例中，如第2圖所示，金屬氧化物中介層210可以是由金屬粉體220的原生氧化層所形成。舉例而言，在一些實施例中，金屬氧化物中介層210可以是由具有第一表面能的金屬材料的氧化物所形成。金屬氧化物中介層210的材料的範例與上述金屬氧化物奈米顆粒200的材料的範例相同，在此不再贅述。
在一些實施例中，如第3圖所示，陶瓷顆粒300的顆粒尺寸D1可以是約0.5微米至約20微米、約1微米至約10微米、或約2微米至約5微米。
在一些實施例中，金屬氧化物中介層210可具有第三表面能，且第二表面能與第三表面能之間的差值可以是小於1焦耳/平方公尺。
根據本揭露內容之一些實施例，陶瓷顆粒300的第二表面能與金屬氧化物中介層210的第三表面能之間的差值是相對很小的，例如是小於1焦耳/平方公尺，且金屬粉體220的表面220A被金屬氧化物中介層210所包覆，使得金屬起始材料20與陶瓷顆粒300可具有類似的表面能，防止混合/或攪拌時產生顆粒團聚，且可使得金屬起始材料20與陶瓷顆粒300具有較佳的分散性。因此，才能夠選用具有相對較小顆粒尺寸D1的陶瓷顆粒300，而較小的顆粒尺寸使得陶瓷顆粒300在金屬材料的微結構之中具有較佳的分散性。
在一些實施例中，如第2圖所示，金屬氧化物中介層210具有的厚度T1可以是約5奈米至約7奈米。
在一些實施例中，如第2圖所示，金屬粉體220具有的顆粒尺寸D3可以是約10微米至約300微米。在一些實施例中，如第2圖所示，金屬粉體220具有的顆粒尺寸D3可以是約200微米至約300微米。
根據本揭露內容之一些實施例，金屬氧化物中介層210的厚度T1相對較薄，這限制了參與在預處理反應中以及形成於預處理混合物30中的金屬氧化物的體積，因而不會在預處理混合物30中產生任何非預期的晶相(phase)。因此，預處理混合物30與形成的金屬陶瓷複合材料10的機械強度不會受到任何非預期的晶相的不良影響。更進一步而言，金屬氧化物中介層210的厚度T1相對較薄，限制了存在於金屬陶瓷複合材料10中的金屬氧化物的含量，這避免了因為過多金屬氧化物而造成金屬陶瓷複合材料10的整體結構太脆的情況。如此一來，金屬陶瓷複合材料10的機械性質便不會受到不良影響。
並且，根據本揭露內容之一些實施例，陶瓷顆粒300的顆粒尺寸D1相對較小，例如是等於或小於10微米。金屬粉體220的顆粒尺寸D3相對較大，例如約200微米至約300微米。因此，較多個陶瓷顆粒300可以附接至形成於金屬粉體220上的金屬氧化物中介層210，因而可以使得陶瓷顆粒300具有更均勻的分散性。
在一些實施例中，金屬起始材料20的含量佔混合物的體積百分比可以是約70~97 vol.%。
在一些實施例中，陶瓷顆粒300的含量佔混合物的體積百分比可以是約3~30 vol.%。
在一些實施例中，預處理反應可包含加熱、加壓、或上述的組合，但本揭露內容並不限於此。
在一些實施例中，進行預處理反應可包含：以約400°C至約500°C的溫度加熱混合物約2至約4小時。在一些實施例中，預處理反應可在約200~500帕斯卡(Pa)的壓力下進行。
根據本揭露內容之一些實施例，若進行預處理反應的溫度低於400°C，則預處理反應可能無法完全完成，可能會導致較少的陶瓷顆粒300附接及/或化學鍵結至金屬氧化物中介層210(及/或金屬氧化物中介層210的碎片)。若進行預處理反應的溫度高於500°C，金屬材料可能會快速熔化，也可能會導致較少的陶瓷顆粒300附接及/或化學鍵結至金屬氧化物中介層210(及/或金屬氧化物中介層210的碎片)。因此，根據本揭露內容之一些實施例，以約400°C至約500°C的溫度加熱混合物來進行預處理反應，可以使得較多的陶瓷顆粒300附接及/或化學鍵結至金屬氧化物中介層210(及/或金屬氧化物中介層210的碎片)，因而可以進一步提升陶瓷顆粒300的分散性。
接著，根據本揭露內容之實施例，金屬陶瓷複合材料10的形成方法可更包含對預處理混合物30進行加工製程，以形成金屬陶瓷複合材料10。
在一些實施例中，加工製程可包含氣體霧化製程(gas atomization process)、澆注鑄造製程(pouring casting process)、連續鑄造製程(continuous casting process)、壓鑄製程(die casting process)、真空鑄造製程(vacuum casting process)、低壓鑄造工藝(low-pressure casting process)、積層製造製程(additive manufacturing process)、或上述的任意組合，但本揭露內容並不限於此。
根據本揭露內容之一些實施例，金屬陶瓷複合材料10可以是塊材或粉體材料。在一些實施例中，舉例而言，可以對預處理混合物30進行氣體霧化製程，以形成具有粉體材料形式的金屬陶瓷複合材料10，再透過積層製造製程將粉體材料進一步形成3維立體物件(3D object)。在一些實施例中，可以對預處理混合物30進行鑄造製程以形成具有塊材形式的金屬陶瓷複合材料10。
以下係就實施例作進一步說明。以下係列出數個實施例之金屬陶瓷複合材料的組成以及特性測試結果，以說明應用本揭露內容所製得之金屬陶瓷複合材料的特性。然而以下之實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本揭露內容實施之限制。
範例
製備預處理混合物
＜預處理混合物1＞
將95 vol.%的鋁起始材料(具有約1~150微米的顆粒尺寸的各個鋁粉體包覆有厚度約5~7奈米的鋁氧化層)與5 vol.%的具有約2~5微米的顆粒尺寸的碳化矽(SiC)顆粒混合，然後將此混合物在450°C的溫度及約100 Pa的壓力下加熱3小時，然後冷卻至室溫。接著，便得到鋁-碳化矽複合材料之預處理混合物1。
＜預處理混合物2~3＞
預處理混合物2~3的製備方式類似於預處理混合物1的製備方式，唯一的差別在於鋁起始材料相對於碳化矽顆粒的體積比例。預處理混合物2包含92 vol.%的鋁起始材料與8 vol.%的碳化矽顆粒，預處理混合物3包含89 vol.%的鋁起始材料與11 vol.%的碳化矽顆粒。
＜範例1~3＞
將預處理混合物加熱至高於鋁粉體的熔點以形成鋁-碳化矽複合熔化物，然後透過氣體霧化製程將鋁-碳化矽複合熔化物形成鋁-碳化矽複合顆粒。以掃描式電子顯微鏡(SEM)鑑定形成的顆粒的外型與組成。
第4A至4C圖呈現根據本揭露內容之一些實施例的金屬陶瓷複合材料的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片的影像對比分析，第5圖呈現根據本揭露內容之實施例的金屬陶瓷複合材料的X光繞射圖譜。更具體而言，第4A圖呈現範例1之鋁-碳化矽複合顆粒的碳化矽覆蓋率(silicon carbide coverage)，第4B圖呈現範例2之鋁-碳化矽複合顆粒的碳化矽覆蓋率，第4C圖呈現範例3之鋁-碳化矽複合顆粒的碳化矽覆蓋率，第5圖呈現範例3之鋁-碳化矽複合顆粒的X光繞射圖譜。
如第4A圖所示，碳化矽覆蓋率大約是4.1 %至5.2 %，這與碳化矽的添加量的體積比例(5 vol.%)幾乎相同。如第4B圖所示，碳化矽覆蓋率大約是8 %至8.8 %，這與碳化矽的添加量的體積比例(8 vol.%)幾乎相同。如第4C圖所示，碳化矽覆蓋率大約是11 %，這與碳化矽的添加量的體積比例(11 vol.%)基本上相同。
如第5圖所示的X光繞射圖譜呈現範例3之鋁-碳化矽複合顆粒除了預期的鋁的晶相、矽的晶相和碳化矽的晶相之外，並不具有任何其他非預期的晶相。
進一步，透過積層製造製程將範例2之鋁-碳化矽複合顆粒形成3維立體物件。由範例2之鋁-碳化矽複合顆粒所形成3維立體物件的機械性質與外型的鑑定結果如表1及第6圖所示，一些市售的比較例之機械性質也如表1所示以供比較。
第6圖是根據本揭露內容之一實施例的金屬陶瓷複合材料的穿透式電子顯微鏡(TEM)照片。更具體而言，第6圖呈現由範例2之鋁-碳化矽複合顆粒透過積層製造製程所形成3維立體物件的穿透式電子顯微鏡(TEM)照片。
如第6圖所示，鋁-碳化矽複合3維立體物件的微結構具有晶粒與晶界，經由穿透式電子顯微鏡的繞射圖案分析(未繪示)後得知，在晶界之中的亮點便是氧化鋁奈米顆粒。
表1
  範例2之3維立體物件 比較例1 比較例2
材料 範例2之鋁- 碳化矽複合科 鋁合金(EN AW-6082 T6) A359鋁合金混合  20 wt%的碳化矽
加工製程 積層製造製程 鍛造 O’Fallon鑄造
降伏強度(MPa) 390 370 303
最大拉伸強度(MPa) 445 400 359
伸長率(%) 3 15 ＜1
硬度 HRB 85 (162 HBW) -- --
楊氏係數(GPa) ~85 70 99
如表1所示，比較例1之物件並不具有碳化矽材料。因此，雖然具有很高的降伏強度(yield strength)與很高的最大拉伸強度(ultimate tensile strength)，但楊式係數(Young’s modulus)很低，僅70 GPa，表示其剛性太低。
再者，比較例2之物件包含20 wt%的碳化矽，但比較例2之物件並非由根據本揭露內容之實施例的金屬陶瓷複合材料所形成，也不是透過根據本揭露內容之實施例的方法所形成。如表1所示，比較例2之物件具有高剛性，但其伸長率(elongation rate)太低，這可能會造成即使在施加很小的拉伸力時，此物件會無預警地突然斷裂，衍生安全方面的疑慮。
如表1所示，範例2之3維立體物件具有優異的降伏強度、最大拉伸強度、硬度、剛性以及合適的伸長率，所以此3維立體物件具有優異的機械性質且幾乎無安全方面的疑慮。
雖然本揭露內容以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露內容。本揭露內容所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露內容之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此本揭露內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:金屬陶瓷複合材料10A:晶粒10B:晶界20:金屬起始材料30:預處理混合物100:金屬本體200:金屬氧化物奈米顆粒210:金屬氧化物中介層220:金屬粉體220A:表面300:陶瓷顆粒1B:區域D1、D2、D3:顆粒尺寸T1:厚度
為讓本揭露內容之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉不同實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下： 第1A圖是根據本揭露內容之一實施例的金屬陶瓷複合材料的示意圖。 第1B圖是第1A圖中的區域1B的放大示意圖。 第2圖是根據本揭露內容之一實施例的金屬起始材料的示意圖。 第3圖是根據本揭露內容之一實施例的預處理混合物的示意圖。 第4A至4C圖呈現根據本揭露內容之一些實施例的金屬陶瓷複合材料的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片的影像對比分析。 第5圖呈現根據本揭露內容之一實施例的金屬陶瓷複合材料的X光繞射圖譜。 第6圖是根據本揭露內容之一實施例的金屬陶瓷複合材料的穿透式電子顯微鏡(TEM)照片。
10:金屬陶瓷複合材料
100:金屬本體
300:陶瓷顆粒
1B:區域
D1:顆粒尺寸

Claims (11)

  1. 一種金屬陶瓷複合材料，包括：一金屬本體，包括一金屬材料，該金屬材料具有一第一表面能；複數個金屬氧化物奈米顆粒，分散於該金屬本體中；以及複數個陶瓷顆粒，分散於該金屬本體中，其中該些陶瓷顆粒具有一第二表面能，該第二表面能高於該第一表面能，其中該些金屬氧化物奈米顆粒的含量佔該金屬陶瓷複合材料的體積百分比為小於1vol.%，其中該些金屬氧化物奈米顆粒與具有該第一表面能的該金屬材料的總含量佔該金屬陶瓷複合材料的體積百分比為70~97vol.%，其中該些陶瓷顆粒的含量佔該金屬陶瓷複合材料的體積百分比為3~30vol.%，其中具有該第一表面能的該金屬材料包括鋁、銅、鐵、矽、鈷、鉛、或上述的任意組合，且該些陶瓷顆粒包括碳化矽、鎢化矽、或上述的組合，其中該些金屬氧化物奈米顆粒是由具有該第一表面能的該金屬材料的一原生氧化層所形成，其中該些陶瓷顆粒的顆粒尺寸為0.5微米至20微米。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的金屬陶瓷複合材料，其中該第一表面能小於1.5焦耳/平方公尺(J/m2)，且該第二表面能大於2 焦耳/平方公尺。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的金屬陶瓷複合材料，其中該些金屬氧化物奈米顆粒具有一第三表面能，且該第二表面能與該第三表面能之間的一差值小於1焦耳/平方公尺。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的金屬陶瓷複合材料，其中該些金屬氧化物奈米顆粒的顆粒尺寸為3奈米至50奈米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的金屬陶瓷複合材料，其中該金屬陶瓷複合材料具有複數個晶粒與複數個晶界，且該些金屬氧化物奈米顆粒形成於該些晶界之中。
  6. 一種金屬陶瓷複合材料的形成方法，包括：將一金屬起始材料與複數個陶瓷顆粒混合以形成一混合物，其中該金屬起始材料包括一金屬粉體和一金屬氧化物中介層(interlayer)，該金屬氧化物中介層形成於該金屬粉體的表面上，該金屬粉體包括一金屬材料，該金屬材料具有一第一表面能，該些陶瓷顆粒具有一第二表面能，該第二表面能高於該第一表面能；對該混合物進行一預處理反應，以形成一預處理混合物，其中該預處理混合物中的該些陶瓷顆粒附接至該金屬氧化物中介層；以及對該預處理混合物進行一加工製程，以形成該金屬陶瓷複合材料，其中該些金屬氧化物奈米顆粒的含量佔該金屬陶瓷複合材料的體積百分比為小於1vol.%， 其中該些金屬氧化物奈米顆粒與具有該第一表面能的該金屬材料的總含量佔該金屬陶瓷複合材料的體積百分比為70~97vol.%，其中該些陶瓷顆粒的含量佔該金屬陶瓷複合材料的體積百分比為3~30vol.%，其中具有該第一表面能的該金屬材料包括鋁、銅、鐵、矽、鈷、鉛、或上述的任意組合，且該些陶瓷顆粒包括碳化矽、鎢化矽、或上述的組合，其中該些金屬氧化物奈米顆粒是由具有該第一表面能的該金屬材料的一原生氧化層所形成，其中該些陶瓷顆粒的顆粒尺寸為0.5微米至20微米。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的金屬陶瓷複合材料的形成方法，其中金屬氧化物中介層具有的厚度為5奈米至7奈米。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的金屬陶瓷複合材料的形成方法，其中該預處理反應包括加熱、加壓、或上述的組合。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的金屬陶瓷複合材料的形成方法，其中進行該預處理反應包括：以400℃至500℃的溫度加熱該混合物2至4小時。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的金屬陶瓷複合材料的形成方法，其中該加工製程包括氣體霧化製程、澆注鑄造製程、連續鑄造製程、壓鑄製程、真空鑄造製程、低壓鑄造工藝、積層製造製 程、或上述的任意組合。
  11. 如申請專利範圍第6項所述的金屬陶瓷複合材料的形成方法，其中該第一表面能小於1.5焦耳/平方公尺，且該第二表面能大於2焦耳/平方公尺。
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