行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

氧化鋁/氮化鈦奈米複合材料之機械性質與磨耗研究

計畫類別：個別型計畫

計畫編號： NSC93-2216-E-168-005-

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日

執行單位：崑山科技大學機械工程系

計畫主持人：劉見成

計畫參與人員：呂飛龍、王建堂、李正合、張政宏

報告類型：精簡報告

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文

處理方式：本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 10 月 30 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告 □期中進度報告

氧化鋁添加奈米氮化鈦複合材料之機械性質研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：NSC－93－2216－E－168－005

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日

計畫主持人：劉見成 崑山科技大學機械系

共同主持人：

計畫參與人員：呂飛龍、王建堂、李正和、張政宏

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：崑山科技大學

中 華 民 國 94 年 10 月 25 日

氧化鋁添加奈米氮化鈦複合材料之機械性質研究

計畫編號：NSC- 93-2216-E-168-005

執行期限：93 年8 月1 日至94 年7 月31 日

主持人：劉見成 教授 崑山科技大學機械系

計畫參與人員：呂飛龍、王建堂、李正和、張政宏

崑山科技大學機械系

摘要 氧化鋁基陶瓷複合材料有很高吸引力，因為氧化鋁具有很好機械性質，例如高硬度、化

學穩定性及熱抵抗性能。本文研究於氧化鋁基材中添加奈米氮化鈦作為第二相製成氧化鋁

基陶瓷複合材料，第二相的添加顯示可以提升硬度及磨耗抵抗性能，而TEM分析結果顯示，奈米氮化鈦顆粒分散在氧化鋁基材晶粒與晶界上。而添加第二相奈米氮化鈦的氧化鋁基陶

瓷複合材料對AISI-52100軸承鋼球作乾式往復磨耗分析，顯示氧化鋁基陶瓷複合材料具有

較低的摩擦係數與磨耗係數。

關鍵詞: 氧化鋁、摩擦係數 Alumina-based ceramic composites have attracted much attention, because of their excellent

mechanical properties such as high strength, hardness, chemical stability and heat resistance. In this study, addition of nano-TiN particles can increase the hardness and wear resistance. TEM image shows that nanometer-sized TiN particles are dispersed in the matrix as well as on the boundary. The friction and wear behavior of Al2O3-nano TiN composites against AISI-52100 steel were investigated in the disc-on-ball mode. It has been found that the ceramic components exhibited rather low friction and wear coefficients. Keywords: Al2O3, Friction 1.前言 氧化鋁(Al2O3)陶瓷具有高的機械強度、耐熱性、絕熱性、高硬度性、耐磨耗性

及無氧化的顧慮等種種的機能，是工業上應

用最廣的陶瓷材料之一。而氧化鋁切削工具

的使用壽命比超硬合金工具來的長，且可高

速切削。但因缺乏韌性與其他結構陶瓷材料

類似，破壞韌性無法較大提昇，使陶瓷材料

的應用受到限制，因此為了提昇氧化鋁結構

陶瓷的韌性，是目前研究者正在投入研究項

目之一。

要提升韌性的方法，可藉由陶瓷材料內部結構的相變化或添加強化的第二相；如纖

維（fiber）、鬚晶（whisker）、板狀（platelets）晶粒與顆粒（particles）狀晶粒等，成為一複合體而且具有良好性質的陶瓷基複合材

料（Ceramic Matrix Composite），以提昇韌性【1-4】。利用纖維強化的複合材料雖然已成功的應用在實例上，然而這些性能的改善

只侷限在較低溫的範圍內。在高溫的環境

下，因纖維的再結晶作用，將造成強度明顯

下降。考慮到纖維強化的瓶頸後，選用鬚晶

強化似乎是合乎材料發展理念及經濟效益

的直接方法。但鬚晶強化雖可以明顯提升材

料的強度、韌性及耐熱衝擊性，隨著鬚晶對

於人體有致癌威脅研究報告發表後，此複合

材料的熱潮及被迅速的冷卻，而板狀晶有取

代的趨勢。但其機械性能遠不如鬚晶複合材

料。於是採用顆粒強化相的研究便成為發展

重點，然而利用陶瓷顆粒強化相之複合材料

的韌性效果則偏低，但其複合材料燒結後遠

比鬚晶或板狀晶強化相來的緻密。 添加奈米級顆粒以強化陶瓷基（如碳化

矽）複合材料的研究，可分為幾種作法：（1）添加高溫熱解聚矽氮烷合成之 SiCN 粉末，Niihara【5】的研究，反應生成奈米級的碳化矽，均勻的散佈在氮化矽晶界上，以抑制

氮化矽長柱狀晶的成長，可提升氮化矽陶瓷

的室溫與高溫的強度及破壞韌性值。（2）以濕式球磨法分散奈米顆粒，在經熱壓燒結成

奈米複合材料，Kaiser【6】所提出報告指出，奈米氮化矽複合材料其硬度與高溫潛變均

較單一氮化矽提高許多。 K.Niihara【8】於 1989 年提出細微陶瓷複合材料(Ceramic Nano-Composites)的構想，圖.1 所示，M.P.Harme 於三年後【9】證實說明製程參數將嚴重影響細微陶瓷複

合材料的性能。此構想主要藉由微結構的改

良而明顯強化基材。對傳統的陶瓷製程來

說，將次微米的顆粒散佈在基材中，並控制

燒結參數以達到緻密化，以提升機械性質。

並依強化相分佈於基材的型態分為；晶內型

(intragranular)，如圖 1(a)所示，強化相主要分布於基材的晶粒內,對於此種分佈的複合材料於破斷時將會呈現穿晶破斷模式而得

到高強度的性能。晶界上型(intergranular)，如圖 1 (b)所示，強化相的分布集中於基材的晶界上。對於此種分佈的複合材料於破壞時

將會呈現沿晶破斷模式，因為破斷路徑的增

加而得到韌性較佳的材料。晶內及晶界混合

型，如圖 1(c)所示，強化相同時分佈於基材的晶粒內與晶界上。此時複合材料的強度與

韌性介於上述兩型態之間。奈米型(Nono/ Nono)，如圖 1(d)所示,強化相與基材的大小

趨近一致，皆在次微米或奈米級，因組織細

微而具有超塑性的性質。

Fig.1 細微陶瓷複合材料的構想圖

本研究使用奈米氮化鈦顆粒作為第二

相添加在氧化鋁基材，常壓燒結 1600°C 持溫 1 小時，然後於爐中冷卻至常溫，以探討奈米複合材料之微結構性質及磨耗性能。

2.實驗方法

氧化鋁起始粉末的配置，將Al2O3與 6wt％MgO的粉末比例混合，並添加 10wt%奈米氮化鈦粉末，採用濕式球磨方式進行粉末的

混合，並添加聚乙烯亞胺(PEI,Tokyo Kasei Kogyo Co.,Japan)分子式為CH2CH2NH作為分散劑，於滾鍊機進行球磨 24 小時，其目的是使粉末微細化並能夠混合的更均勻。真

空旋轉蒸餾，同時進行抽真空、加熱 ，經過真空乾燥的粉末置於烘箱內保持溫度

110°C，將粉末烘乾 24 小時使溶劑完全蒸發。將乾燥後的粉末進行過篩，使用

100mech的篩網以得到粒度較均勻的粉末。將過篩完成後的複合材料粉末以微量天秤

秤重，其每支試片的重量為 2.5g，秤重完後將粉末到入成型鋼模內，再以 1.5Mpa的壓力將試片預壓成型。成形生胚置於石墨坩堝

中，並加氮化硼和氧化鋁混合，作為粉末

床，燒結溫度升溫速率為 15°C，並通入 1atm 的氮氣，升溫至 1600°C 持溫一小時，然後於爐中冷卻至常溫。

本研究為探討添加添加奈米氮化鈦第

二相的氧化鋁基陶瓷複合材料之磨耗性能

及磨耗破壞機制，磨耗機構設計以往復式滑

動 磨 耗 (Oscillation Friction Wear, SRV, Optimal Germany)方式進行，詳細磨耗實驗機制如圖 2 所示，上試件圓球為軸承鋼珠作滑動件，下試件圓盤為氧化鋁基陶瓷複合材

料作固定件不動，實驗過程的摩擦係數、負

荷、衝程及溫度等數據由類比/數位轉換卡(Analog/digital converter card)，將其存入 PC個人電腦。

Fig. 2 A schematic representation of the ball-on-disc wear testing apparatus.

微結構之觀察，係用 TEM(transmission electron microscopy)穿透式電子顯微鏡，來觀察晶粒與晶粒間的分佈。試片製作，將試

片切成直徑 3mm 的薄片經研磨拋光試片至100μm 以下的厚度後，並 dimpler 至 30μm厚度，再利用離子薄化機打穿試片，再利用

鍍碳機鍍碳 10-15 秒。磨耗面以 AFM 觀察其表面破壞情形

4.結果與討論

4.1TEM 顯微觀察

圖 3.(a)、(b)所示為添加 10wt%奈米氮化 鈦 的 氧 化 鋁 基 陶 瓷 複 合 材 料 經 過

1600℃、1 小時的氮氣常壓燒結的 TEM 顯微結構，圖中散佈於周圍黑色點晶粒為奈米

氮化鈦。由圖中發現奈米氮化鈦經 1600℃熱壓燒結後，其晶粒大小還維持在 80nm 以

內，並且發現奈米粉末分佈於氧化鋁晶粒內

及晶界上。圖 4. (a)、(b)分別為明視野(Bright

field image)和暗視野(Dark field image)圖形，顯示第二相奈米氮化鈦分散於三晶粒接

點上。圖 5.為奈米氮化鈦晶粒在薄區破裂面的形貌，由此圖可觀察出氮化鈦在此陶瓷

內，各觀察部位的分佈情形，箭頭部位為氮

化鈦在薄區邊緣破裂情形。

(a) (b)

圖 3.(a)(b)為奈米氮化鈦分佈於氧化鋁晶

粒內

(a)

(b) 圖 4. (a)、(b)分別為明視野和暗視野圖形 圖 5. 為一氮化鈦晶粒在薄區破裂面的圖形。箭頭部位為氮化鈦。 4.2SEM 表面型態觀察

SEM 表面破斷面型態的觀察，利用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)，來觀察氧化鋁/奈米氮化鈦複合陶瓷表面破斷面型態。圖 6 顯示破壞型態為穿晶破壞和部分延晶破壞。根據 Gogotsi [11]等研究結果，氧化鋁添加氮化鈦陶瓷複合材料可以提升破壞韌性值，由於熱膨脹係

數的不同，燒結後殘留應力之影響，使裂縫

發生偏移效果。

(a)

(b)

TiN

圖 6 為氧化鋁/氮化鈦複合陶瓷表面破斷面SEM 圖(a)5000 倍(b)15000 倍。 4.3 往復滑動磨耗試驗

圖 7 為氧化鋁基陶瓷複合材料對AISI-52100 軸承鋼球作乾式往復滑動磨耗試驗結果，圖中所示為摩擦係數與滑動時間

作圖，顯示氧化鋁基陶瓷複合材料對鋼球的

摩擦行為，開始滑動時之摩擦係數為 0.48，在滑動時間 100 秒後快速振盪降至 0.55，其 摩擦係數值維持在較低狀態，隨後經過 400秒保持在 0.5，整個摩擦係數平均值為0.51。圖 8 所示為氧化鋁陶瓷對 AISI-52100軸承鋼球作乾式往復滑動磨耗試驗結果，顯

示氧化鋁陶瓷對鋼球的摩擦行為，開始滑動

時之摩擦係數約為 0.61，隨之摩擦係數值維持在 0.72 左右，在 400 秒之後些微下降，但單一相氧化鋁陶瓷對 AISI-52100 軸承鋼球作乾式往復滑動磨耗試驗結果摩擦係數

值平均值為 0.7 左右。根據 Bordji[10] 等研究指出，氧化鋁陶瓷廣泛被應用在生醫材料

上而添加氮化鈦作為第二相時明顯可以改

進氧化鋁的機械性質，模擬人體性質溶液磨

耗結果，實驗證實可以降低接觸磨耗率。

0 400 800 1200TIME ( SEC. )

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

CO

EFF

ICIE

NT

OF

FRIC

TIO

N

AVERAGE F=0.697783Al2O3

0 400 800 1200TIME ( SEC. )

0

0.2

0.4

0.6

CO

EFF

ICIE

NT

OF

FRIC

TIO

N

AVERAGE F=0.51

10wt%nanoTiN/Al2O3

4.4 往復滑動磨耗後 AFM 表面觀察 圖 9(a)顯示為氧化鋁/氮化鈦複合材料

陶瓷表面對 AISI-52100 鋼球往復滑動磨耗後之 AFM 表面形貌，(a)圖中明顯可以發現表面磨耗之破壞型態，擷取量測單位面積

為：100μm×100μm，區域中心線平均粗糙度(Area Ra)值為：142.08987nm，顯示表面破壞發生微犁溝的破壞機制。(b)圖為磨耗面邊緣之量測結果，擷取量測單位面積為：100μm×100μm，區域中心線平均粗糙度(Area Ra)值為：201.7789nm，顯示磨屑有部分推積在陶瓷表面

Fig. 7 Friction coefficient versus sliding time of Al2O3-10wt%nanoTiN composites against AISI-52100 steel ball pairs in dry sliding tests.

(a)

(b) Fig. 9 AFM image of Al2O3nanaoTiN of

(a) slide surface; and (b) edge image after in dry sliding against AISI-52100 steel ball pairs.

Fig. 8 Friction coefficient versus sliding time of Al2O3 against AISI-52100 steel ball pairs in dry sliding tests.

結論 1. 奈米氮化鈦/氧化鋁複合材料經 1600℃

常壓燒結後，其晶粒大小還維持在 80nm

以內，TEM 分析結果發現奈米顆粒分佈於氧化鋁晶粒內及晶界上。

2. 氧化鋁添加奈米氮化鈦陶瓷複合材料對AISI-52100 鋼球的摩擦係數平均值為0.5，相對單一相氧化鋁陶瓷的摩擦係數0.7 小 40%左右。

3. AFM 分析氧化鋁/氮化鈦複合材料陶瓷表面對 AISI-52100 鋼球往復滑動磨耗，表面的破壞型態發生犁溝(ploughing)情形，產生犁溝現象可能由於剝落層磨料

推擠鋼球或剝落層磨料顆粒將材料犁向

溝槽的兩側之結果。

參考文獻

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8. Hiihara,K.,“New design concept of structural ceramics :ceramic nano-composites.”J.Ceram.Soc.Jpn.,99,974-982(1989)

9. L.C.Stearns et al., “Processing and Microstructure development in Al2O3-SiC

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10. K. Bordji, D. Mainard, “Al2O3 and Al2O3-TiN wear resistance in a simulated biological environment,” J. Mater. Sci, 33(1998)2837-2843.

11. Y. G. Gogotsi, and F. Porz, J. Am. Ceram. Soc. 75[8], 2251-59 (1992).