科技與材料 4-1 材料概論 4-2 科技與奈米材料 4-3 材料科學與生活

1. 4 Chapter 科技與材料 4-1 材料概論 4-2 科技與奈米材料 4-3 材料科學與生活

2. 科技的發展需藉材料的開發做基石 • 材料一直與人類的發展息息相關，人類的生活演進，除了思想觀念外，物質的發明扮演著相當重要的角色。 • 從日常生活到航太科技、生醫科技、光電科技及光學工業、汽車及造船工業、通訊技術及五金機械等方面無所不包，這完全歸功於科技材料進步的成果 。

3. 4-1 材料概論 常見的材料可分成 • 金屬材料 • 高分子材料 • 陶瓷材料 • 複合材料 • 電子材料及通訊材料 等類。

4. 4-1-1 金屬材料（Metallic material） 金屬材料通常指工業上各種物質製造時所使用之金屬或合金。 • 金屬材料有時也包含一些非金屬元素的無機材料。 • 多種金屬元素結合或金屬元素與非金屬元素結合的金屬材料稱為合金

5. 鐵與碳所形成的合金稱為碳鋼； • 銅與錫的合金稱青銅。 金屬材料依使用金屬的不同，大致可分為兩大類： • 第一類是以金屬鐵（Fe）為主，並含有其他元素的合金，鐵元素所佔的比率較高，如鋼、不鏽鋼 • 第二類為非鐵金屬的金屬材料，如銅（Cu）、鋁（Al）、鎳（Ni）、鈦（Ti）等。 不鏽鋼是由鐵、鉻、碳及其他不同元素所組成的合金，不鏽鋼產品如餐具、廚具、門、窗、機械零件、水塔、室內裝潢、3C 產業（通訊、電腦與消費性電子產品）、醫療及航太材料等。

6. 高清淨化的合金發展，乃指合金在特定的設計及製造過程中，其內部缺陷的控制或抑制以達特定的低限值，進而使合金具有優異的機械、化學或物理性能高清淨化的合金發展，乃指合金在特定的設計及製造過程中，其內部缺陷的控制或抑制以達特定的低限值，進而使合金具有優異的機械、化學或物理性能 • 高清淨度的合金可應用在電腦螢幕網罩、生醫材料的人工關節及醫療器材（高清淨的鈦基和鈷基合金），其他如飛機引擎零組件、特殊切削工具、機械用高負荷軸承等等，無一不是高清淨度的合金。

7. 4-1-2 高分子材料（Polymeric material） • 高分子材料亦稱為聚合物材料 • 化學組成是由碳、氫和其他非金屬元素為基礎而組成的高分子化合物 • 此類材料通常具有非常大的分子結構、低密度、性能柔軟等特性 • 高分子材料中比較重要的兩種材料分別為塑膠材料與彈膠體材料。 • 彈膠體材料即為橡膠材料，可用來製作汽車輪胎、保齡球等 • 塑膠為聚合反應所合成的鏈狀物質。

8. 兩製程中由許多被稱為單體（monomer）的小分子以產生共價鍵的方式相結合，形成相當長的長鏈分子此稱為聚合物或高分子化合物。兩製程中由許多被稱為單體（monomer）的小分子以產生共價鍵的方式相結合，形成相當長的長鏈分子此稱為聚合物或高分子化合物。 • 塑膠主要成份是樹脂（resin），次要成份有填充料（filler）、可塑劑（plasticizer）、安定劑（stablizer ）、溶劑（ s o l v e n t ）、固化劑（ f i x e r ）、著色劑（colorant）、潤滑劑（lubricant）等。 • 塑膠在結構上一般可分為熱塑性（ t h e r o m p l a s t i c ） 及熱固性（theromsetting）高分子化合物。 • 熱塑性高分子化合物，如：聚乙烯 、聚丙烯 、聚氯乙烯 、聚苯乙烯、聚醯胺（polyamide ，尼龍nylon）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene ，鐵氟龍Teflon）等等

9. 其特性是： 1. 少架橋（cross-links） 2. 加熱後立即軟化 3. 可雕塑成不同形狀物質 4. 無延伸支鏈

10. 5. 熱固性高分子化合物，有酚甲醛樹脂（ Phenolformalde hyde resin）、尿醛樹脂（Ureaformaldehyde resin）、環氧樹脂（Epoxy）、聚胺基甲酸酯（Polyurethane）等其特性是： 1. 有許多架橋（cross-links） 2. 加熱後立即硬化 3. 不易產生形變 4. 加熱後架橋的鏈會分裂 5. 溶解前可燃燒等特性。 常見塑膠的性質與用途，列於表4-1 和表4-2 。

13. 應用的領域除日常生活包裝、用具、器皿外，也應用在工業方面（如：機械配件、黏著劑、電路模板、安全玻璃等等）、醫學方面（如：假牙、人工關節、義肢、人工心臟瓣膜等等）、科學方面（如：實驗器材、原子模型、儀器外殼等等）、建築方面（如：泡沫塑膠用於隔熱、強化聚酯塑膠美觀建材等等）等。應用的領域除日常生活包裝、用具、器皿外，也應用在工業方面（如：機械配件、黏著劑、電路模板、安全玻璃等等）、醫學方面（如：假牙、人工關節、義肢、人工心臟瓣膜等等）、科學方面（如：實驗器材、原子模型、儀器外殼等等）、建築方面（如：泡沫塑膠用於隔熱、強化聚酯塑膠美觀建材等等）等。 。

14. 4-1-3 陶瓷材料（Ceramic material） 陶瓷材料在工程應用上大致可分為兩類型： • 傳統陶瓷，傳統陶瓷的基本原料有黏土、石英和長石三種 • 工程陶瓷。工程陶瓷的原料則為純淨或幾近純淨的化合物，如氧化鋁（Al2O3）、碳化矽（SiC）和氮化矽（Si3N4）

15. 各種日用品、工藝品與裝飾品等生活相關用品，建築業所用的磚、瓦和電子工業中的電子陶瓷，皆是傳統陶瓷的代表例子。 工程陶瓷通常做為工業用耐火材料、功能陶瓷（具有熱、電、聲、光、磁、氣等功能相互轉換特性的功能）、生物陶瓷（用在人體或動物肌體具特殊生理功能）。

16. 雷射技術應用在醫學上進行開刀手術、切割 • 人工關節、假牙等生醫材料；感測器應用醫學上的偵檢，提高了醫療效果。

17. 4-3-2 材料應用在環保及能源 • 資源性廢物的回收再利用，是環保材料的另一項貢獻，如再生紙、鋁製汽車、電腦煉製黃金等。 • 能源的枯竭使得人類面臨一大挑戰， 如太陽能、風力、水力等發電來取代其他能源 。

18. 4-3-3 材料應用在其他方面 • 輕巧耐高溫材料的鋁合金、鈦合金應用在航太工業上 • 紅外線光罩的發明應用在國防武器方面，更能提高精準度。 • 材料是工業的基礎，科學發展的前瞻，主導著人類的進步與幸福。