含廢玻璃之澆注型複材之強度改善研究

Abstract

本研究包括兩個階段，一是在改進前李廷恩之碩士論文(7/2019)[1]提出含廢玻璃之澆注型複材結構件配方(T2-2)之強度，此配方目標為應用於中溫(650-800℃)固態燃料電池之結構件。研究中，選用與T2-2相同之原料系統，包含棕色廢棄玻璃顆粒、廢棄之封裝玻璃(G11A5)粉末，廢棄之碳化矽磨料及波特蘭Ⅰ型水泥作為原料。本研究為尋找更佳的原料配比，優化結構件之抗折強度。先以田口法(Taguchi method)作為實驗規劃之方法，透過L9直交表，選取四種控制因素，每個因素具有三個水準值，以優化其抗折強度為目標，在完成L9表設計之實驗後，透過信噪比分析(S/N ratio)分析實驗數據，確認四種控制因素對抗折強度之影響程度，並找出能改進強度的水準值。經過田口法之優化後，經800℃/1h燒結後樣品之抗折強度為2.43 MPa (T2-2為0.54 MPa)，壓縮強度為3.22 MPa，雖有改善但不盡理想，觀察其微結構發現在800℃煅燒後有因燒結收縮的大裂縫而造成強度損失，在1000℃強度損失的原因則是多了粗顆粒玻璃，在高溫時會形成發泡(bubbling)結構。此外，若低熔點之G11A5玻璃含量過多會使樣品在1000℃熔化崩塌。為了改善前述缺點，在第二階段的優化實驗中，將澆注材分為骨材和漿料(細粉+水)兩部分討論，骨材選用廢棄之碳化矽磨料及有較高熔點之低鹼玻璃(GC)，透過顆粒堆積理論決定澆注材中骨材的比例，以期在和漿料混合後有最好的流動性及最高800℃燒結後之強度。透過漿料黏塑性測試及乾燥並煅燒後之微結構決定漿料的成分，然後將已確定成分之骨材及漿料以不同比例混合、成型、煅燒後進行強度測試。將含75vol%骨材-25 vol%細粉之配方命名為N75，以此類推N65和N55。這三配方之800℃煅燒後抗折強度都在7~9 MPa之間，1000℃煅燒後抗折強度都在11~13 MPa之間，相較原T2-2配方及經過田口法優化後之T2-2配方皆有大幅提升。N系列之配方的抗壓強度均高於10 MPa，已達SOFC結構件所需的工程強度。