制造铝基复合物的方法、使用此方法制成的铝基复合物、以及包含铝基复合物的铝基结构与流程

本发明是有关于一种制造铝基复合物的方法、使用此方法制成的铝基复合物、以及包含铝基复合物的铝基结构。
背景技术：
：金属基复合材料(metalmatrixcomposite，mmc)是以金属材料为基材，采用特殊工艺，将不同种类、不同型态的陶瓷、非金属强化相均匀分布在连续的金属基材中而获得的新型复合材料。他的性能兼备了金属基材与强化相的优点，具有高的比强度和比刚度，耐高温，耐磨损，横向性能及层间简切强度高，并具有高的热稳定性、体积稳定性以及材料的可设计性，因而最先在航太工业得到应用。目前金属基复合材料碰到例如以下问题，导致其难以量产及商业化。1.为了保证金属基材具有足够的流动性，以充分渗透到强化相之间的间隔中并与之复合，需要在高温下进行，然而在高温下强化相与基材有时会发生有害的界面反应。2.金属基材与强化相之间的相容性差。3.必须保证强化相按照设计要求的含量、方向，均匀分布于基材中。技术实现要素：本发明的主要目的在于提供一种制造铝基复合物的方法，可将铝基金属制成具有较佳机械强度的铝基金属复合物。本发明的另一目的在于提供一种铝基复合物，具有较佳的机械强度。本发明的另一目的在于提供一种铝基结构，具有较佳的机械强度。本发明的铝基金属处理方法，是将硼砂覆盖于铝基金属的表面，并加热铝基金属超过硼砂的熔点。在本发明的一实施例中，铝基金属为铝金属。在本发明的一实施例中，铝基金属为铝合金。在本发明的一实施例中，硼砂先与陶瓷材料混合，而后再覆盖于铝基金属的表面，并加热铝基金属超过硼砂的熔点，陶瓷材料的含量相对于该硼砂为0.01～90wt％。在本发明的一实施例中，陶瓷材料的硬度大于铝的硬度。在本发明的一实施例中，陶瓷材料选自由碳化硅(siliconcarbide)、碳化钨(tungstencarbide)、碳化硼(boroncarbide)、碳化锆(zirconiumcarbide)、碳化钛(titaniumcarbide)、碳化铍(berylliumcarbide)、硼化锆(zirconiumboride)、硼化钛(titaniumdiboride)、硼化铼(rheniumdiboride)、硼化铝(aluminumboride)、氧化铝(aluminiumoxide)、氮化硼(boronnitride)、钻石、及其组合组成的群组。本发明的铝基复合物，包含7至9atomic％的铝、11至13atomic％的钠、以及79至81atomic％的氧。在本发明的一实施例中，铝基复合物包含8atomic％的铝、12atomic％的钠以及80atomic％的氧。在本发明的一实施例中，铝基复合物进一步包含陶瓷材料，其中，铝基复合物的铝的含量为2至3wt％、钠的含量为3.5至5wt％、氧的含量为26至27wt％、以及陶瓷材料的含量为65至68wt％。在本发明的一实施例中，陶瓷材料的硬度大于铝的硬度。在本发明的一实施例中，陶瓷材料选自由碳化硅(siliconcarbide)、碳化钨(tungstencarbide)、碳化硼(boroncarbide)、碳化锆(zirconiumcarbide)、碳化钛(titaniumcarbide)、碳化铍(berylliumcarbide)、硼化锆(zirconiumboride)、硼化钛(titaniumdiboride)、硼化铼(rheniumdiboride)、硼化铝(aluminumboride)、氧化铝(aluminiumoxide)、氮化硼(boronnitride)、钻石、及其组合组成的群组。本发明的铝基结构，包含由铝基金属构成的铝基基材以及设置于铝基基材中的铝基复合物。铝基复合物，包含7至9atomic％的铝、11至13atomic％的钠、以及79至81atomic％的氧。在本发明的一实施例中，铝基复合物包含8atomic％的铝、12atomic％的钠以及80atomic％的氧。在本发明的一实施例中，铝基复合物进一步包含陶瓷材料，其中，铝基复合物的铝的含量为2至3wt％、钠的含量为3.5至5wt％、氧的含量为26至27wt％、以及陶瓷材料的含量为65至68wt％。在本发明的一实施例中，陶瓷材料的硬度大于铝的硬度。在本发明的一实施例中，陶瓷材料选自由碳化硅(siliconcarbide)、碳化钨(tungstencarbide)、碳化硼(boroncarbide)、碳化锆(zirconiumcarbide)、碳化钛(titaniumcarbide)、碳化铍(berylliumcarbide)、硼化锆(zirconiumboride)、硼化钛(titaniumdiboride)、硼化铼(rheniumdiboride)、硼化铝(aluminumboride)、氧化铝(aluminiumoxide)、氮化硼(boronnitride)、钻石、及其组合组成的群组。附图说明图1为本发明一实施例的光学显微镜相片；图2为经过本发明铝基金属处理方法处理的铝的横切面的光学显微镜相片；图3为本发明一实施例的扫瞄式电子显微镜图；图4a为本发明一实施例中的铝元素分析结果图；图4b为本发明一实施例中的钠元素分析结果图；图4c为本发明一实施例中的氧元素分析结果图；图4d为本发明一实施例的扫瞄式电子显微镜图；图4e为本发明一实施例中的钠元素分析结果图；图4f为本发明一实施例中的镁元素分析结果图；图4g为本发明一实施例中的铝元素分析结果图；图4h为本发明一实施例中的氧至5f元素分析结果图；图5a为本发明一实施例的光学显微镜相片；图5b至5f本发明不同实施例的光学显微镜相片；图6为本发明具有单层铝基复合物的铝基结构的实施例的相片；图7为铝金属、本发明具有单层铝基复合物的铝基结构、以及本发明具有4层铝基复合物的铝基结构的弯曲强度测试结果。主要元件符号说明：具体实施方式本发明的制造铝基复合物的方法，是将硼砂覆盖于铝基金属的表面，并加热铝基金属超过硼砂的熔点。其中，硼砂的熔点为743℃。其中，铝基金属可以为铝金属或者铝合金。更具体而言，硼砂是平铺在由铝、铝合金或及组合构成的铝基金属上，放置在例如高温炉中的高温环境中加热超过743℃，藉以让硼砂与铝反应成为强化相。在反应过程中，无论有无使用惰性气体(如氩)保护都能反应。换言之，以上本发明的铝基金属处理方法可在含氧环境中进行。以不同角度观之，前述制造铝基复合物的方法实质上为铝基金属的处理方法。如图1所示的光学显微镜相片(vhx-5000，keyence公司，美国)，较亮区域为未经本发明方法处理的铝，较暗区域则为经过本发明方法处理的铝。其中，针对图式较亮区域中以数字1、2、3、4标示的位置以及较暗区域中以数字5、6、7、8标示的位置，使用奈米压痕仪(nanoindenters)(nanoindenterxp，mts公司，美国)进行硬度及杨氏模量测试，结果如下表1。表1位置柏克维奇(berkovich)硬度(gpa)杨氏模量(gpa)10.53471.4220.67779.1930.65573.3540.53476.8454.13124.464.33122.275.01132.884.89128.5由表1可以看出，经过本发明方法处理的铝，其机械强度明显优于未经本发明方法处理的铝。更具体而言，经过本发明方法处理的铝，在以数字5、6、7、8标示的位置的柏克维奇硬度平均为4.59gpa((4.13+4.33+5.01+4.89)/4＝4.59)、杨氏模量平均为126.98gpa((124.4+122.2+132.8+128.5)/4＝126.98)。相对的，未经本发明方法处理的铝，在以数字1、2、3、4标示的位置的柏克维奇硬度平均为0.6gpa((0.534+0.677+0.655+0.534)/4＝0.6)、杨氏模量平均为75.2gpa((71.42+79.19+73.35+76.84)/4＝75.5)。亦即，经过本发明方法处理后，铝的柏克维奇硬度及杨氏模量分别提高为原本的7.65倍及1.68倍。上述柏克维奇硬度及杨氏模量量测亦对一5083铝合金进行，其结果列于表2。表2位置柏克维奇(berkovich)硬度(gpa)杨氏模量(gpa)11.08172.3321.12171.8830.98373.5441.12270.0954.87125.865.22131.474.98121.585.01126.1由表2可以看出，经过本发明方法处理的5083铝合金，其机械强度明显优于未经本发明方法处理的5083铝合金。更具体而言，经过本发明方法处理的5083铝合金，在以数字5、6、7、8标示的位置的柏克维奇硬度平均为5.02gpa((4.87+5.22+4.98+5.01)/4＝5.02)、杨氏模量平均为126.2gpa((125.8+131.4+121.5+126.1)/4＝126.2)。相对的，未经本发明方法处理的铝，在以数字1、2、3、4标示的位置的柏克维奇硬度平均为1.08gpa((1.081+1.121+0.983+1.122)/4＝1.08)、杨氏模量平均为71.96gpa((72.33+71.88+73.54+70.09)/4＝71.95)。亦即，经过本发明方法处理后，5083铝合金的柏克维奇硬度及杨氏模量分别提高为原本的4.65倍及1.37倍。据此，本发明的方法可将铝基金属制成具有较高机械强度的铝基复合物。或以不同角度观之，可提高铝基金属的机械强度。另一方面，经过本发明方法处理的铝基金属与未经本发明方法处理的铝基金属间具有良好的相容性。进一步而言，图2所示的光学显微镜相片图显示了经过本发明方法处理的铝的横切面。由此图可以看出，经过本发明方法处理的铝与未经本发明方法处理的铝彼此相连无间隙，可见其具有良好的相容性且介面键结良好。如图3所示的扫瞄式电子显微镜图(nova230variablepressuresem(vp-sem)(at10kvacceleratingvoltage)，fei公司，美国)，其中较暗区域为未经本发明方法处理的铝，较亮区域则为经过本发明方法处理的铝。对于较亮区域进行元素分析可得到如图4a-4c所示的结果。其中，由图4a、4b及4c可以分别得知较亮区域包含约8atomic％的铝、约12atomic％的钠以及约80atomic％的氧。进一步而言，经过本发明方法处理的铝基金属是为一种具有较佳机械强度铝基复合物。其中，铝基复合物包含7至9atomic％的铝、11至13atomic％的钠以及79至81atomic％的氧，较佳包含约8atomic％的铝、约12atomic％的钠以及约80atomic％的氧。如图4d所示的扫瞄式电子显微镜图(nova230variablepressuresem(vp-sem)(at10kvacceleratingvoltage)，fei公司，美国)，其中较暗区域为未经本发明方法处理的5083铝合金，较亮区域则为经过本发明方法处理的5083铝合金。对于较亮区域进行元素分析可得到如图4e-4h所示的结果。其中，由图4e、4f、4g及4h可以分别得知较亮区域包含约12atomic％的钠、约8atomic％的镁、约7atomic％的铝、以及约73atomic％的氧。在不同实施例中，硼砂先与陶瓷材料混合，而后再覆盖于铝基金属的表面，并加热超过743℃。更具体而言，为了进一步提升例如硬度及杨氏模量等的机械强度，可在硼砂中掺进强度更高(例如硬度比铝高)的陶瓷材料。其中，陶瓷材料较佳选自由碳化硅(siliconcarbide)、碳化钨(tungstencarbide)、碳化硼(boroncarbide)、碳化锆(zirconiumcarbide)、碳化钛(titaniumcarbide)、碳化铍(berylliumcarbide)、硼化锆(zirconiumboride)、硼化钛(titaniumdiboride)、硼化铼(rheniumdiboride)、硼化铝(aluminumboride)、氧化铝(aluminiumoxide)、氮化硼(boronnitride)、钻石、及其组合组成的群组。陶瓷材料的含量相对于硼砂为0.01～90wt％，且较佳为66wt％的陶瓷材料相对于33％的硼砂。在一实施例中，硼砂先与碳化硅混合，比例为66wt％的碳化硅相对于33％的硼砂。此混合物而后再覆盖于铝合金的表面，并加热超过743℃。光学显微镜相片(vhx-5000，keyence公司，美国)如图5a所示，其中较亮区域为碳化硅，较暗区域为硼砂与铝反应生成的强化相。对整体进行机械强度测试可知其硬度9.7gpa、杨氏模量140gpa。由此可知，藉由本发明方法，可让例如碳化硅等的高强度陶瓷材料渗进铝相中，从而达到强化铝基金属的效果。在不同实施例中，碳化硅于5083铝合金复合物、碳化钨于铝复合物、碳化钛于5083铝合金复合物、氧化钛于铝复合物、以及氧化钛于5083铝合金复合物的光学显微镜相片分别示于图5b到5f。进一步而言，将硼砂先与陶瓷材料混合，而后再覆盖于铝基金属的表面，并加热超过743℃，可得到一种具有较佳机械强度、含有陶瓷材料的铝基复合物。其中，陶瓷材料较佳选自由碳化硅(siliconcarbide)、碳化钨(tungstencarbide)、碳化硼(boroncarbide)、碳化锆(zirconiumcarbide)、碳化钛(titaniumcarbide)、碳化铍(berylliumcarbide)、硼化锆(zirconiumboride)、硼化钛(titaniumdiboride)、硼化铼(rheniumdiboride)、硼化铝(aluminumboride)、氧化铝(aluminiumoxide)、氧化钛(titaniumoxide)、氮化硼(boronnitride)、钻石、及其组合组成的群组。陶瓷材料的含量相对于硼砂为0.01～90wt％，且较佳为66wt％的陶瓷材料相对于33％的硼砂。前述铝基复合物可镶于铝基基材中而形成铝基结构。更具体而言，铝基结构包含由铝基金属构成的铝基基材以及设置于铝基基材中的铝基复合物。换言之，由铝基金属构成的铝基基材包夹多层式强化结构。在图6所示的实施例中，铝基结构具有单层铝基复合物，铝基复合物夹设于两铝金属层之间。然而在不同实施例中，铝基结构不限于仅有单层铝基复合物，且铝基复合物不限于夹设于两铝金属层之间。对铝金属(nolayer)、具有单层铝基复合物的铝基结构(1layer)以及具有4层铝基复合物的铝基结构(4layers)进行三点弯曲测试以评估其弯曲强度。其中，弯曲测试的进行是使用弯曲强度测试仪(instron5900，instron公司，美国)，条件为下压速度为每秒in、两点间距为6mm。结果如图7所示。由图7可知，具有4层铝基复合物的铝基结构的弯曲强度明显大于铝金属的弯曲强度，而具有单层铝基复合物的铝基结构的弯曲强度也略大于铝金属的弯曲强度。据此，本发明的铝基结构相较于铝金属具有较佳的强度。虽然前述的描述及图式已揭示本发明的较佳实施例，必须了解到各种增添、许多修改和取代可能使用于本发明较佳实施例，而不会脱离如所附权利要求所界定的本发明原理的精神及范围。熟悉本发明所属
技术领域：
的一般技艺者将可体会，本发明可使用于许多形式、结构、布置、比例、材料、元件和组件的修改。因此，本文于此所揭示的实施例应被视为用以说明本发明，而非用以限制本发明。本发明的范围应由后附申请专利范围所界定，并涵盖其合法均等物，并不限于先前的描述。当前第1页12