臺灣博碩士論文加值系統

精密鑄造的應用廣泛，例如，機械零件、汽機車零件、航空零組件等。脫蠟鑄造法之陶殼模主要由莫來石、鋯英石等耐火粉體組成，這些耐火粉體仰賴進口，使用後之廢棄陶殼模，須付費委外處理，生產製造成本居高不下。
台灣致力發展太陽能產業，在替代能源中太陽能佔了非常重要的地位，矽晶是太陽能製程中重要的原料。在製程中約30%矽原料隨著研磨漿液流失。業者將矽廢泥經減壓蒸餾或以高速離心機將泥中的切割液固液分離，回收切割液再利用，另回收後的混合粉體再以濕式渦錐分離出碳化矽，目前大部分僅作為玻璃磚、耐火磚等建材低階再利用。
本研究是利用晶圓切割矽廢泥回收之碳化矽應用於精密鑄造陶殼模製程進行研究，探討SiC粉體添加量對於陶殼模機械強度、鑄件表面型態之影響，期盼提升資源再利用之循環經濟價值，協助精密鑄造業降低生產成本，更為國內環保盡一份心力。
研究結果顯示，添加回收碳化矽製成的漿體，可應用於面漿、第二道漿體。在陶泥漿性能方面，添加不同比例的SiC，對陶泥漿pH值影響不大。在陶殼模性能方面，添加不同比例SiC之陶殼模平均濕態強度低於原製程濕態強度，約為原製程強度的83%~85%；添加不同比例SiC之平均燒結強度，約為原製程強度77%~78%；碳化矽添加量與透氣性成正比；在鑄件表面形貌上，鑄件表面有些許鐵粒及孔洞產生，若鑄件表面需再加工，建議可添加回收碳化矽於陶殼模製程中以降低生產成本。

Investment casting has extensive application in different markets, such as mechanical industry, auto parts industry, and aviation industry etc.. Ceramic shell mold for investment casting is mainly formed by Mullite, Zircon and other refractory materials. Most of them are imported with high prices, their remaining waste even need special waste disposal treatment. All these have caused the production costs of investment casting remains high. Taiwan is committed to developing green energy resources, solar power play as an important role of the alternative energy. Silicon wafer is the major material for solar power industry, however, it was reported that approximately 30% of the silicon material would be wasted during the cutting and grinding operation. For now, the Wafer fabrication industry use vacuum distillation or high-speed centrifuge to separate the solid and liquid from the sawing waste slurry. The separated liquid can then be reused as coolant, while the separated solid powder can be further treated to obtain SiC by using hydrocyclone. The recycled SiC can be used as building materials like refractory tiles, bricks.
The study is focusing on the application of recycled silicon carbide (from kerf loss) in ceramic shell mold building of investment casting. The effect of addition amount of SiC powder on mechanical property and casting surface quality have been researched.
This report is in an effort to enhance the economic value of recycling resources in wafer fabrication industry. With the reused SiC powder in building the shell mold approved can effectively reduce production cost for investment casting, meanwhile contributing to the domestically environmental protection.
The study result showed slurry with addition of recycled SiC, modified slurry, can be used as primary and 2nd coating slurry in mold building operation. The PH value of modified slurry showed little variation in comparison with the non-modified slurry. Green strength of shell mold made by modified slurry, modified mold, is about 83%~85% of mold consists of non-modified slurry. Sintering strength of modified shell mold is about 77%~78% of non-modified mold. It’s also been verified that the shell mold’s permeability is proportional to the addition amount of SiC. Casting produced from modified mold surface with some visible minor pin hole,. It is suggested that, for reducing production costs, recycled SiC powder can be added into the slurry to form a modified shell mold when producing castings needed secondary machining operation.

目錄
摘 要 ii
ABSTRACT iv
誌 謝 vi
目錄 vii
表目錄 xi
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
第二章 文獻回顧與理論基礎 3
2.1 精密鑄造 3
2.1.1 精密鑄造法簡介 4
2.1.1.1脫蠟鑄造法 5
2.1.1.2陶模鑄造法 8
2.1.1.3石膏模鑄造法 9
2.2 脫蠟精密鑄造 10
2.2.1 脫蠟精密鑄造蠟模及陶殼模之組成材料 10
2.2.1.1 模型蠟材料 11
2.2.1.2陶殼模耐火材料 12
2.2.1.3 陶殼模黏結劑 19
2.2.1.4陶殼模添加劑 21
2.3 太陽能電池 22
2.3.1 結晶矽太陽能電池 24
2.3.1.1單晶矽太陽能電池 24
2.3.1.2多晶矽太陽能電池 25
2.3.2 非晶矽薄膜太陽能電池 26
2.4 太陽能光電產業矽泥廢料 27
2.4.1 太陽能光電產業矽泥廢料之產生量及處理現況 28
2.4.2 碳化矽的特性 29
2.4.3 碳化矽的應用 31
2.4.4 廢矽泥回收粉體特性 34
2.4.5 回收碳化矽資源化案例 37
2.4.5.1 應用於鋼鐵製程 37
2.4.5.2多功能布料及醫院病人束腰輔助帶 37
2.4.5.3 應用於燒窯、土木建材、造紙、燃料電池等產業 38
第三章 研究流程與方法 39
3.1 研究架構 39
3.2 實驗材料 40
3.2.1 碳化矽(SiC) 40
3.2.1.1 回收碳化矽X光繞射分析 40
3.2.1.2 回收碳化矽混合粉體之粒徑分析 42
3.2.1.3 回收碳化矽混合粉體之SEM與DTA分析 43
3.2.2 鋯質耐火材料 45
3.2.2.1鋯粉 45
3.2.2.2 填料砂耐火材料 46
3.2.3 矽酸膠 47
3.3 實驗方法與流程 48
3.3.1回收碳化矽應用於面漿之實驗流程 49
3.3.2回收碳化矽應用於面漿、第二道漿之實驗流程 51
3.4 實驗設備 53
3.4.1 製程設備 53
1. 攪拌桶 53
2. 敷砂桶 54
3. 高壓蒸氣脫蠟爐 55
4. 高溫燒結爐 56
5. 高週波熔解爐 57
6. 其他設備：清除陶殼模及後處理 57
3.4.2 材料性質測試及設備 58
1. 黏度試驗(漿體黏度試驗) 58
2. pH試驗(漿體pH值) 59
3. 破斷強度試驗(Modulus of Rupture, MOR) 60
4. 透氣性試驗 61
5. 電子顯微鏡分析(SEM) 62
6. 立體顯微鏡(巨觀分析) 63
3.5 實驗配比 64
3.5.1 回收碳化矽粉體於面漿之取代量對各項性質影響 64
3.5.2 碳化矽回收碳化矽粉體於面漿、第二道漿之取代量對各項性質影響 65
第四章 結果與討論 66
4.1 回收碳化矽混合粉體應用於漿體之各項性質 67
4.1.1 回收碳化矽混合粉體應用於面漿之各項性質的探討 67
1. 應用於面漿對濕態(未燒結)抗彎荷重之影響 68
2. 應用於面漿對燒結抗彎荷重之影響 69
3. 應用於面漿對燒結透氣性之影響 70
4. 應用於面漿對陶殼模表面形貌之影響 71
5. 應用於面漿對鑄件表面形貌之影響 72
6. 小結 75
4.1.2 回收碳化矽混合粉體應用於面漿、第二道漿體之各項性質的探討 76
1.應用於面漿及第二道漿對濕態(未燒結)抗彎荷重之影響 77
2.應用於面漿及第二道漿對燒結抗彎荷重之影響 78
3.應用於面漿及第二道漿對燒結透氣性之影響 79
4.應用於面漿及第二道漿之陶殼模層間形貌 80
5. 應用於面漿及第二道漿之陶殼模SEM/EDS分析 81
6. 應用於面漿及第二道漿之陶殼模XRD分析 84
7.應用於面漿及第二道漿對鑄件表面形貌之影響 90
8.小結 93
4.2 回收碳化矽混合粉體應用於沾漿製程之取代層數對陶殼模性質之探討 94
4.2.1 濕態(未燒結)荷重關係圖 94
4.2.2 燒結荷重關係圖 95
4.2.3 透氣性關係圖 96
4.3 添加碳化矽於實廠製程經濟效益評估 97
第五章 結論與建議 99
5.1 結論 99
5.2 建議 100
參考文獻 101

參考文獻
王品懿、李哲慧、藍崇文、張永佶，物以矽為貴‐以親疏水性自矽泥回收矽，105論文2016WL21_pp218-pp235，2016。
http://web.fg.tp.edu.tw/~tfghdb/blog/wp-content/uploads/2016/01/WL21_pp218-pp23

王興業，「矽溶膠及其應用」，材料工程，第一期，1999，第28-29頁。

尤仁志，酸洗處理對冶金級矽提純影響之研究，碩士論文，大葉大學，2010

光華高工教材，實體模法http://www.khvs.tc.edu.tw/page/2/04/ME_digitalbook/Manufacture%2003.pdf，2003]

李韋皞、許致瑋、鄭大偉、林欽山，利用濕式渦錐進行矽晶圓切割細泥資源化之研究，鑛冶‧第五十七卷‧第四期 December 2013。

台灣鑄造學會，脫蠟精密鑄造法，2015。

台灣電子材料與元件協會，功率電子專刊，第20卷第1期，2014。

宋國榮、張木彬，太陽電池產業晶柱切割製程廢切削液回收研究，碩士論文，國立中央大學，2011。

材料世界網，碳化矽塗層於LED與半導體產業之應用，2016。

何昇陽，膜過濾法回收切割液以及改良沉降單元分離矽和碳化矽，碩士論文，國立臺北科技大學，2015

吳一峰、鄭大偉，無機聚合技術應用於精密鑄造廢陶模再生應用之研究，碩士論文，國立臺北科技大學，2015

吳鎮國、林鴻、盧以昕、許仲成、陳欣卉、吳育任，淺談太陽能電池的原理與應用，臺大電機系科普系列，2014

吳哲豪、莊文貴、楊國和，絹雲母添加劑對精密鑄造泥漿及陶殼模性能之影響，鑄造工程學刊，第35卷 第1期(第140期)，2009

姜不居，熔模鑄造手冊，北京：機械工業出版社，2000。

姜不居，熔模精密鑄造，北京：機械工業出版社，2004。

林志朋、溫紹炳、申永輝、陳姿樺，製備多孔性碳化矽陶瓷之研究，中國礦冶工程學會，2016。

林祐翔，含切削油廢矽泥資源回收之研究，碩士論文，大葉大學，2013。

林宗獻，精密鑄造學，台北：全華科技圖書股份有限公司，2012。

林彥志，矽泥中矽粉之回收，博士論文，國立台灣大學，2010年。


林祐任，碳酸鈣取代劑對背漿及陶殼模性能的影響，碩士論文，國立高雄應用科技大學，2007。

林凱隆，廢鑄砂之特性及資源化技術研究，國立宜蘭大學，2010。

施郁霈、蔡子萱，自矽泥廢料中回收切割液之研究，碩士論文，國立臺北科技大學，2011。

紀孟宏、楊國和，精密鑄造陶殼模之薄殼快乾研究，碩士論文，高雄應用科技大學，2011。

袁好杰，耐火材料基礎知識，上海：文光圖書有限公司，2016。

唐瑋雋，電場促進矽切割廢料中矽與碳化矽之回收，碩士學位論文，淡江大學，2009。

高家豪、王添炫、戴君豪、丁偉書、俞佳蓁、林佑任、楊國和，「重質碳酸鈣取代劑對泥漿及陶殼模性能影響」，鑄造工程學刊，第138期，2008，第36-44頁。

陳力群、莊勝傑、楊國和，聚乙烯醇添加劑對精密鑄造陶殼模性能之影響，鑄造工程學刊，第33卷 第4期(第135期)，2007。

陳力群，聚丙烯醯胺水溶液取代劑對精密鑄造陶殼模製作的影響，碩士論文，國立高雄應用科技大學，2008。

陳威宇、林永仁，以PU模板製作網狀多孔氧化物陶瓷，碩士論文，大同大學，2011。

陳武宏，精密鑄造應用實務，台北：全華科技圖書股份有限公司，1990。

許致瑋、鄭大偉，晶圓切割廢棄物資源化之研究，碩士論文，國立臺北科技大學，2014。

陳鳴吉、麥朝創、李坤穎、顏炳華、游博淮，太陽能矽晶圓放電切割加工研究，機械工業337期，2011。

許偉哲，石英磚研磨污泥回用與太陽能晶圓切削廢油分離之研究，碩士論文，國立聯合大學，2010。

許欣怡，(100)矽基材上立方晶碳化矽層對方向性鑽石形成之影響，碩士論文，國立交通大學，2007。

翁敏航主編，Solar Cell太陽能電池，台北：東華書局，2010。

章凱婷，以碳酸鹽礦物粉體改善精密鑄造殼模崩散性質之研究，碩士論文，國立臺北科技大學，2008。

莊勝傑、林祐任、謝杰廷、楊國和，精密鑄造陶殼模乾燥研究，鑄造工程學刊，第33卷 第4期(第135期)，2007 。


莊勝傑，PVA高分子添加劑對泥漿及陶殼模性能的影響，碩士論文，國立高雄應用科技大學，2006。

張晉昌，鑄造學，台北：全華科技股份有限公司，2004。

勞動部職業安全衛生署，安全資料表，2016。http://ghs.osha.gov.tw/CHT/intro/search.aspx

彭哲賢，蠟模圓弧角陶模沾漿特性，碩士論文，國立臺北科技大學，2009。

楊瑞雯，台灣鑄造產業現況分析，ITIS產業評析，2015。

董志嘉、鄭大偉，以物理分選進行不銹鋼渣中鎳鐵金屬回收之研究，2015 資源與環境學術研討會 (P.529~536)，2015。

經濟部技術處、財團法人工業技術研究院、產業經濟與趨勢研究中心，新世代元件-我國碳化矽元件發展策略，2010。

蔡佳洲，電泳沉積法製備熔融石英精密鑄造陶殼模面層，碩士論文，國立高雄應用科技大學，2011。

潘永寧、邱弘興、林文和、邱傳聖，鑄造學，台北：高立圖書有限公司，2008。

劉敏信、徐聖茗、張玲禎、陳欣微，低品位碳化矽與營建剩餘土製成環保磚之最佳配比研究，朝陽科技大學，2015。
謝杰廷，電泳沉積法製備精密鑄造面層陶殼模，碩士論文，國立高雄應用科技大學，2008。

賴耿陽譯，燃料、耐火物，台南：復漢出版社，1977。

賴耿陽譯，精密鑄造技術，台南：復漢出版社，1985。

顏鳳旗，科技產業廢棄資源物之再利用現況分析，2015。

顏志超、蕭文隆、張良濤、梁世明、羅銘、曾嘉言、彭昱愷、陳志展、林群傑、包焌昇，聚乙烯/碳化矽導熱複合材料之研究，明新科技大學，台灣陶瓷學會年會，2016。

譚兆鵬，自矽晶切片廢渣中回收矽與碳化矽之研究，碩士論文，國立臺北科技大學，2013。

蘇有諒，精密鑄造沾漿與淋砂之製程改善，碩士論文，國立高雄第一科技大學，2014。

A. P. Divecha,S.G.Fishman,S.D.Karmarkar,” Silicon Carbide Reinforced Aluminum—A Formable Composite” September 1981, Volume 33, Issue 9, pp 12–17

C. Yuan, S. Jones, S. Blackburn, "The influence of autoclave steam on polymer and organic fibre modified ceramic shell," Journal of European Ceramic Society, 25, 2005, pp.1081-1087.

C. Yuan, S. Jones, "Investigation of fibre ceramic moulds for investment casting, " Journal of European Ceramic Society, 23, 2003, pp.399-407.

J.B. Casady. R.W. Johnson,”Status of silicon carbide (SiC) as a wide-bandgap semiconductor for high-temperature applications: A review” Solid-State Electronics, Volume 39, Issue 10, October 1996, Pages 1409-1422

Lucie SOUKUPOVA, Milan HORAČEK, Thomas KRUMREI,” OPTIMIZED CERAMIC SHELL FOR MANUFACTURING OF ALUMINIUM CASTINGS USING LOST WAX TECHNOLOGY” Tome XIII [2015]–Fascicule 2 [May]
ISSN: 1584-2665 [print]; ISSN: 1584-2673 [online]

Matteo Leoni,w Matteo Ortolani, Massimo Bertoldi, Vincenzo M. Sglavo, and Paolo Scardi,“Nondestructive Measurement of the Residual Stress Profile in
Ceramic Laminates” J. Am. Ceram. Soc., 91 [4] 1218–1225 (2008)

M. Drajewicz, M. Pytel,” Recycling process of casting molds applying to precision castings”Journal of Achievements in materials and Manufacturing Engineering volume 55 issue 2 December 2012.

R. L. Rusher, "Strength Factors of Ceramic Shell Molds." Casting Metal Research Journal, 1974, pp.149-153

Rupinder Singh, Sunpreet Singh, Vishal Mahajan, “Investigations for Dimensional Accuracy of Investment Casting Process after Cycle Time Reduction by dvancements in Shell Moulding”, Procedia Materials Science 6 ( 2014 ) 859 – 865
S. Connolly, S. Jones, D. Critchley, P.M. Marquis, "Mould non-fill and its relationship to mould wettability and surface finish in thin walled castings." Proceedings of the 24th EICF Conference on Investment Casting, Rome, Italy, 1998.

S. Jones, C. Yuan, S. Blackburn” Fundamental study on microstructure and
physical properties of fluidised bed and rainfall sanding ceramic shells”, Materials Science and Technology 2007 VOL 23 NO 6, 2007.

S. Jones, C. Yuan, "Advance in shell moulding for investment casting," Journal of Materials Technology, 135, 2003, pp.258-265.
S. YAJIMA, J. HAYASHI, M. OMORI & K. OKAMURA,”Development of a silicon carbide fibre with high tensile strength” Nature 261, 683 - 685 (24 June 1976); doi:10.1038/261683a0.

T. Branscomb, "The importance of green MOR for autoclave cracking." Proceedings of 50th Investment casting Institute (ICI) Technical Meeting. Chicago, 2002, paper 21.

Tianhu Chen , Yan Yang , Ping Li , Haibo Liu, Jingjing Xie , Qiaoqin Xie , Xinmin Zhan,” Performance and characterization of calcined colloidal pyrite used for
copper removal from aqueous solutions in a fixed bed column”, International Journal of Mineral Processing 130 (2014) 82–87.

W. Everhart, S. Lekakh and V. Richards, J. Chen, H. Li and K. Chandrashekhara, “CORNER STRENGTH OF INVESTMENT CASTING SHELLS”, International Journal of MetalcastingiWinter 2013.