摘 要
在本研究中，吾人以漿料含浸( Slurry impregnation )法及脈衝式化學氣相滲入( Pulse CVI )方式來製作碳纖維強化陶瓷基奈米複合材料之碳化矽陶瓷基材。其中，稠漿的重複含浸將可有效填補因裂解產生之較大孔洞。為進一步達到高度緻密的複合材料，以脈衝式化學氣相滲入製程將SiC沉積於SiC基材之孔隙表面。研究的目的旨在探討奈米級粉末含量以及脈衝式化學氣相滲入法之製程參數對複合材料本身物理性質、機械性質、及微觀結構之影響。

在陶瓷基奈米複合材料製程中．吾人先將奈米級SiC細粉拌加於以矽粉混合酚醛樹脂的陶瓷前驅體( Precursor )中，將此稠漿灌入碳纖維所編成的預形體，再將此系統置於高溫1100℃的環境中使此前驅體中樹脂裂解為碳，再經由1450℃將此碳基材與矽粉轉化為SiC陶瓷基材，此時所得的系統即為奈米細粉拌加碳纖維所強化之陶瓷基奈米複合材料。為進一步增加複合材料的密度以因應工程上之應用需求，本研究以PCVI製程來達成緻密化目的，在製程中以氫氣攜帶TMS蒸汽以氣壓脈衝方式進入反應腔，並沉積於材料孔隙表面，經由裂解形成SiC的固態產物使複合材料得以緻密化。

本研究探討脈衝化學氣相滲入法中不同壓力、前軀體濃度、脈衝時間、反應時間下的裂解反應對沉積基材的影響;並且對不同製程參數下所製得的奈米陶瓷基複合材料之物理性質(沈積基材分佈、密度、開放性孔隙度)，機械性質(抗折強度、層間剪強度)，及微觀性質(破壞面之微觀結構，破壞模式‥．等)進行深入研究。

ABSTRACT
Carbon fibers reinforced ceramic matrix nanocomposites were fabricated through the slurry infiltration method and pulse chemical vapor infiltration (PCVI) route. Multiple impregnations were applied to fill the large voids within the composites. In order to achieve a highly densified composite, the PCVI process was applied to deposit the SiC matrix onto the pore surface within the composites. The objectives of this work are to investigate the influences of the nanosize powder and the fabrication parameters of the PCVI processes on the physical properties, mechanical properties, and microstructure of the nanocomposites.

In the processing for forming ceramic nanocomposite, the SiC nanosize powder are added to the matrix precursor (Si powder mixed with phenolic resin) follows the impregnation of the slurry into the preform. The system is then placed into a high temperature environment to pyrolysis (1100℃) the polymer precursor into carbon. Further heat treatment at 1450℃converts carbon and silicon powder into silicon carbide matrix of the carbon fiber reinforced composites. Further densification is required to enhance the density of the fabricated composites for engineering applications. In the PCVI process, the mixture of TMS vapor phase mixed with carrier gas is channeled into the reactor and vacuumed periodically. During the pyrolysis process, the deposition of solid product onto the pore surface within the composites to enhance the density of the composites can be achieved.

In this work, the densification process under various precursor concentration, pulse number, and holding time will be studied. The physical properties (matrix distribution, density, open porosity), mechanical properties (interlaminar shear strength) and morphologies of the fracture surface of the fabricated nanocomposites at different processing conditions will be investigated.

六、結 論
1. 前段製程中基材之形式將隨熱處理之溫度高低而有不同，於1100℃碳化溫度下，呈現之相結構為pyrolysis C/ Si基材+ SiC奈米粉末之混合相。雖在高於Si之熔點之1450℃溫度下反應鍵結，但為求碳化矽基材反應鍵結的完全，持溫時間仍需足夠長（≧3小時）。
2. 多重含浸與熱處理將有效地使試片緻密並降低孔隙率，但隨著重複次數之增加，由於孔隙漸次縮小致使液態漿料更加難以於含浸時滲入填補，緻密化成長幅度將漸次減低。
3. 由本實驗結果顯示，多重含浸將造成機械性質的劣化，並越傾向於脆性破斷。據推斷為再次含浸後於高溫下造成熔融Si的不均勻分佈，導致固化時體積膨脹在試片局部將有殘留應力分佈所造成。此由XRD分析得到驗證。
4. 本研究之後段製程採用脈衝式化學氣相滲入法輔助複合材料之進一步緻密化。就反應物濃度之影響而言，反應濃度越高則沉積效率越高，沉積量亦越多；而隨著反應時間之增加，反應沉積將越完全；再者，脈衝次數越高，則累積出之沉積厚度亦越高；隨著這些反應條件的提升，由結果顯示試片之緻密化效果亦隨之而提升。
5. 試片之緻密化代表其工作面積之增加，機械性質應越高，由各個脈衝式化學氣相滲入製程條件下之結果觀察，亦符合此一趨勢，唯目前尚難以在緻密化與機械性質間找尋到更明確之相互關係。本實驗於製程條件3S7C5K得到最佳層間剪強度值達10.01 MPa，於4S7C5K下有最高抗折強度達62.84 MPa。
6. 針對於脈衝式化學氣相滲入法之試片表面微觀形態學觀察，發現有兩種沉積物形式存在，其一為微米/奈米柱之成長於表面高低起伏較大區域，其二以薄膜形式披覆於一般顆粒表面或表面起伏小之平坦區域。由EDS元素分析，兩種沉積形式均呈現C-rich之Si-C組成；單純以微米/奈米柱觀察，其頭部、根部、網狀接點等位置之C含量均十分高，而其中間部位則較接近標準SiC元素成份。
7. 經由推論微米/奈米柱之成核機制，應為在多次含浸時分佈改變之熔融矽促進奈米SiC粉粒凝集而成核。而反應時間、脈衝次數、反影濃度以及位置等均影響微米/奈米柱之徑寬，長時間、高濃度、次數多之條件下，表面將形成較粗大之微米/奈米柱；相反的，在製程條件較低時或者於次層(脫層)面則易發現奈米級徑寬之針狀或絲狀沉積物。
8. 對於未來研究工作重點，將可著重於在反應腔環境中氣體其反應行為之確認與探討，以及比較不同製程條件下微米/奈米柱在不同位置其C、Si元素比例之變化，藉以針對微米/奈米柱成核與成長機制作進一步探討與驗證。