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=== 第 12 章 機械應用之特殊材料 ===. 12-1 陶瓷材料 12-2 高分子材料 12-3 複合材料 12-4 電子材料 12-5 磁性材料 12-6 光電材料 12-7 其他材料. 12-1 陶瓷材料. 傳統上，陶瓷材料大多是以各種黏土為主要原料，經過成型和高溫處理後，變成有用的多晶材料。從總體上看，陶瓷材料是硬而脆的高熔點材料，具有低的導電性和導熱性、良好的化學穩定性和熱穩定性，以及較高的壓縮強度等。所以，陶瓷材料具有優異的耐磨性、耐熱性與良好的耐蝕性，但脆性限制了陶瓷材料應用的領域，此為未來的研究重點。. 12-1 陶瓷材料.
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===第12章 機械應用之特殊材料=== 12-1陶瓷材料 12-2高分子材料 12-3複合材料 12-4電子材料 12-5磁性材料 12-6光電材料 12-7其他材料
12-1陶瓷材料 傳統上，陶瓷材料大多是以各種黏土為主要原料，經過成型和高溫處理後，變成有用的多晶材料。從總體上看，陶瓷材料是硬而脆的高熔點材料，具有低的導電性和導熱性、良好的化學穩定性和熱穩定性，以及較高的壓縮強度等。所以，陶瓷材料具有優異的耐磨性、耐熱性與良好的耐蝕性，但脆性限制了陶瓷材料應用的領域，此為未來的研究重點。
12-1陶瓷材料 陶瓷材料的基本特性與金屬材料的特性有很大的不同。這些特性上的差異起源於兩種材料化學鍵的不同。金屬材料的化學鍵大都是金屬鍵，金屬鍵是沒有方向性的，因此金屬材料具有良好的塑性變形性能。而陶瓷的化學鍵主要是離子鍵和共價鍵。這種化學鍵有很強的方向性和很高的結合能。
12-1陶瓷材料 所以，陶瓷材料具有高硬度、高熔點、高化學穩定性等特點。在日常生活中，常用於製造電機與電子產品；在工業上，目前的陶瓷汽缸即是很好的應用，如圖12-1 所示。然而此種化學鍵使得陶瓷很難產生塑性變形，脆性大且裂紋敏感性強。因此，陶瓷的韌化已成為目前研究領域的核心之一。
12-1陶瓷材料 基本上，陶瓷材料可分為「結晶陶瓷」與「非晶質陶瓷」（即玻璃）兩種，另外近來發展出一種介於兩者之間的「玻璃陶瓷」，即是原來是非晶質狀態，加以適當控制使其產生結晶陶瓷的特性。
12-1陶瓷材料 結晶陶瓷依照所含成分，可分為「矽酸鹽陶瓷」、「非矽酸鹽氧化物陶瓷」及「非氧化物陶瓷」等三類。 矽酸鹽陶瓷以二氧化矽（SiO2）為主要原料。二氧化矽的結晶在室溫下稱之為α-石英（α-quartz）；在一大氣壓力下及573 ℃時轉變成β-石英（β-quartz）；在870℃時又轉變成β-鱗石英（β-tridymite）；在1470℃時再變成β-白矽石（β-cristobalite）；最後，在1713 ℃時熔化。
如表12-1所示，列出常用的矽酸鹽類陶瓷之成分。耐火材料需在高溫下承受負荷，通常以耐火泥細粉黏結氧化物顆粒，一般耐火磚含有20~25％的氣孔，以增進絕熱性質。如表12-1所示，列出常用的矽酸鹽類陶瓷之成分。耐火材料需在高溫下承受負荷，通常以耐火泥細粉黏結氧化物顆粒，一般耐火磚含有20~25％的氣孔，以增進絕熱性質。 12-1陶瓷材料
12-1陶瓷材料 如表12-2 所示，為常見的非矽酸鹽氧化物陶瓷。表中列出屬於較尖端的精密陶瓷（Fine ceramics），其雜質含量約在1wt%以下。主要用於電子工業上。 ZrO2是陶瓷中作為構造用材料的最佳材料，具有變態韌化的特點，可取代一些金屬材料的用途。
12-1陶瓷材料 如表12-3 所示，列出常用的非氧化物陶瓷材料。其中，碳化矽可做為爐子的加熱元件及當作耐火材料；碳化物、氮化物、硼化物亦均可作為耐火材料。 唯大部分的碳化物，例如：TiC、ZrC等都不能抵抗氧化，所以，只能用於還原氣氛下的高溫環境。SiC 則不會有這項缺點，在1500 ℃以下，因為SiC 高溫氧化時會產生一層SiO2薄層保護SiC 不被進一步氧化。另外，氮化物及硼化物的熔點特別高，對氧化較不敏感。
12-1陶瓷材料 最著名的非結晶陶瓷材料就是矽酸玻璃，它是一種固相材料，冷卻後會硬化而具有剛性，但並未產生結晶。 二氧化矽的結晶原子構造相當複雜，若以較快速度冷卻時，就有可能使其來不及結晶而得到非結晶材料。此種非結晶氧化矽稱為玻化矽氧（Vitreous silica）或熔矽氧（Fused silica）、熔石英（Fused quartz）等。如圖12-2 所示，為比較二氧化矽之結晶與非結晶結構中，平面上原子的排列情形。
從圖12-2 中可知，非結晶結構中只有短程規律（Short-range ordering）即每一Si 4+與三個O2- 連接，每一O2- 與兩個Si 4+連接，並無長程規律。 熔矽氧具有極高的熔點，軟化溫度為1667℃且膨脹係數很小（5.5x10-7/℃），所以，耐高溫且耐熱衝擊（Thermal shock），可作為實驗設備材料，唯成型不易。為了適用於各種用途，通常會在二氧化矽中加入其他元素而形成所謂的矽酸玻璃（Silicate glasses）。 12-1陶瓷材料
12-1陶瓷材料 玻璃陶瓷是將材料製成玻璃狀態，再經低溫熱處理，使其產生大量的結晶核粒；再於稍高溫處讓結晶核成長，最後，得到90%的結晶。其結晶晶粒均勻細緻約0.1~1μm大小，殘留的玻璃相填充於晶粒間且沒有孔隙。 一般玻璃在熔融狀態產生結晶時，容易在器壁上產生少許的孕核點而長成相當大的晶體結構，最後的微結構是粗大且不均勻的。
12-1陶瓷材料 而玻璃陶瓷不同於此，它是加入幾個百分比的孕核劑，如TiO2、P2O5等，此種微細的孕核劑粒子密度可達1012個/mm3，可達到大量孕核之目的，得到均勻細緻的晶粒組織。 玻璃陶瓷算是最複雜的陶瓷材料，它具有非晶質與結晶陶瓷的本質。
12-1陶瓷材料 玻璃陶瓷具有比傳統陶瓷更佳的機械強度及更耐熱的衝擊能力，高強度是由於其內部甚少有壓力集中的孔隙及微細均勻的細晶微結構，而耐熱衝擊則在於其膨脹係數相當低。 如表12-4 所示，列出組成玻璃氧化物的熱膨脹係數。
高分子是指將分子量輕且低的液態有機物，經過聚合反應形成高分子量的固體。高分子材料又稱為聚合物（Polymers），包括各種不同的材料，例如：塑膠、橡膠及膠黏物等皆是。高分子是指將分子量輕且低的液態有機物，經過聚合反應形成高分子量的固體。高分子材料又稱為聚合物（Polymers），包括各種不同的材料，例如：塑膠、橡膠及膠黏物等皆是。 高分子材料為巨型的有機物，分子量從10,000 到大於1,000,000 g/mole不等。高分子材料是由許多小分子集合成大分子，大分子內部之小分子是以共價鍵為主要鍵結進行連接，而大分子與大分子間，則是以凡德瓦爾力之類的次鍵結加以連接。高分子材料中的大分子主要是以碳為主，為一種有機材料，其主要來源為將石油化學工業中的副產物加以合成。 12-2高分子材料
12-2高分子材料 高分子材料很容易因外力作用而變形，常常被做成塊狀、板狀、薄膜狀、管狀及纖維狀等的產品，也可藉由填充物的加入而改變高分子材料的性質（衝擊強度、疲勞性能、強硬度及耐熱耐蝕性等）。 常見的產品，例如：文具、玩具、家電器具、塗料、汽車外殼、輪胎，用途非常廣泛。
12-2高分子材料 高分子材料是由很多的單體分子聚集在一起，聚化反應是利用適當的化學反應將單體分子結合形成長鏈狀分子，以變成聚合物或高分子材料。 聚化反應可分為「聚合反應」及「縮合反應」兩種。
12-2高分子材料 圖12-3 為聚合反應的化學作用過程及其結果。由圖中可知，當單體的分子接受適當的溫度、壓力及觸媒的作用時，具有未飽和鏈的單體們會互相結合而形成長鏈分子。 此種由小分子形成大分子的現象稱為聚合作用（Polymerization），單體產生聚合作用後的生成物即稱為聚合物，例如乙烯起聚合作用即生成聚乙烯（PE），氯乙烯則生成聚氯乙烯（PVC）。
12-2高分子材料 聚合作用又稱為鏈狀生長（Chain growth），其反應的動力來自單體中的碳與碳之間的一個雙鏈變成兩個單鏈且彼此連接在一起。 經過聚合反應後，主鏈分子變大，分子量也相對變大，硬度與強度皆相對提高。例如：乙烯（C2H2）是一種氣體，乙烯分子被稱為單體。 經聚合反應後，形成固體的烷類或烯類（CnH2n + 2）。若加入氯分子時，將得到較大的凡德瓦爾力鍵或氫鍵，加入硫則可得到共價鍵，此二反應將使得材料的硬度更為提高。
12-2高分子材料 縮合反應又稱為逐步成長（Step-growth），其原理係當兩反應物混合後，其生成物都具有二個作用基，可繼續將反應物加入，且其生成物亦可繼續加入反應。 最後，終將形成巨大分子，如圖12-4 所示，將對苯二甲酸雙甲酯與乙二醇混合，則乙二醇的OH 與對苯酸脂的CH3組成甲醇，其餘的變成了對苯二甲酸乙二酯的較大分子。
12-2高分子材料 經過縮合反應後，將生成聚合物及副產品。由於對苯二甲酸雙甲酯與乙二醇及其生成物都具有二個作用基，所以，反應物可以繼續加入，或者生成物也可繼續加入反應，而形成一個巨大分子，稱之為達克龍（Dacron）。 基本上，縮合反應的速度比聚合反應慢，而且不會有終結階段，反應時間再久一點時，則其分子就愈大。縮合反應的副產品通常為一些簡單的小分子，如H2O2、HCl 等。
12-2高分子材料 熱塑性高分子材料（Thermoplastic polymers）在加熱時，因大分子只靠次鍵結（凡得瓦力鍵結）來結合，所以分子彼此間容易互相滑動而變形。 與金屬相比，高分子材料的耐熱溫度約為100℃左右，當溫度超過100℃後，即有很明顯的塑性流動現象，這是金屬鍵與次鍵結強度差異的緣故。
12-2高分子材料 熱塑性的高分子材料一經加熱後，即可重新軟化再成型，其重要的類別，例如：纖維素（Cellulose）、壓克力（Acrylic）、氯乙烯（Vinyl ethylene）、聚乙烯（Polyethylene）、聚丙烯（Polypropylene）、聚苯乙烯（Styrene）、聚醯胺（Polyamide）或尼龍（Nylon）及縮醛（Acetal）等，如圖12-5 所示，為壓克力與聚丙烯的成品。
12-2高分子材料 熱固性（Thermosetting）高分子材料加熱時，不但不會軟化反而變硬且剛性更強。其原因為熱固性高分子材料是一種立體網狀的分子結構，高溫時將促使網狀結構更加緊密，冷卻時網狀結構依然存在，所以，剛性仍大。 如表12-5 所示，為熱固性與熱塑性高分子材料之結構示意圖。熱塑性高分子材料是結合小分子在一起而產生長鏈型聚合物；熱固性高分子間是以交聯的方式形成三維網狀結構的長鏈型分子。
12-2高分子材料 由於此類材料的網狀結構具有較大的強度，所以常用來製造機械零件，常可取代金屬，使用於一些受力較小的地方。常見的熱固性高分子材料，例如：尿素樹脂（Urea- resin）、三聚氰胺（Melamine）、環氧樹脂、酚類塑膠（Phenolics）、聚酯（Polyesters）、矽酯類塑膠（Silicones）及強化塑膠（Reinforcing plastics）等，如圖12-6 所示，為環氧樹脂與強化塑膠的成品例。
12-2高分子材料 彈性（橡膠）高分子材料是指一些天然或人造的線性聚合物。當受力時會產生大量的彈性變形；力量去除後，又完全恢復到原來的形狀。 這類的彈性體，由於其長鏈的排列很有規則，使得大分子形成捲曲狀態。在理想狀態下受力時，捲曲大分子鏈被拉直而使得彈性體伸展變形，此時，分子間可排列成較規則狀態，即能量較低；力量放開時，分子鏈又恢復較高能量的捲曲狀態。
日常生活所使用的器具中，有愈來愈多的橡膠製品產生，這些製品所用的橡膠可分為天然橡膠及人造橡膠二大類。日常生活所使用的器具中，有愈來愈多的橡膠製品產生，這些製品所用的橡膠可分為天然橡膠及人造橡膠二大類。 12-2高分子材料 天然橡膠是由熱帶地方所產橡樹的乳液製成。從橡樹採取的乳液，添加醋酸或蟻酸使其凝固者，稱為生橡膠（Raw rubber），生橡膠的用途很少，一般都經硫化處理後使用之。
所謂硫化處理（Vulcanization）乃是在生橡膠中加入硫磺等混合均勻後壓入模內，在100~150℃加熱而成形之操作。如果橡膠內的含硫量在15%以下，可以獲得柔軟而富彈性的製品，稱為軟橡膠，常見的製品有汽車內外胎、橡膠管、雨衣、襯墊及橡皮擦等。若橡膠內的含硫量超過30%以上並維持長時間加熱，可得到延性甚低的製品，稱為硬橡膠（Ebonite）。硬橡膠能耐酸鹼侵蝕，電絕緣性及加工性優良，製品有梳子、牙科材料、鋼筆軸、電絕緣零件及耐化學性膠管等。所謂硫化處理（Vulcanization）乃是在生橡膠中加入硫磺等混合均勻後壓入模內，在100~150℃加熱而成形之操作。如果橡膠內的含硫量在15%以下，可以獲得柔軟而富彈性的製品，稱為軟橡膠，常見的製品有汽車內外胎、橡膠管、雨衣、襯墊及橡皮擦等。若橡膠內的含硫量超過30%以上並維持長時間加熱，可得到延性甚低的製品，稱為硬橡膠（Ebonite）。硬橡膠能耐酸鹼侵蝕，電絕緣性及加工性優良，製品有梳子、牙科材料、鋼筆軸、電絕緣零件及耐化學性膠管等。 天然橡膠在65℃左右即失去彈性，且耐油性不良，同時，加硫橡膠於使用一段時間後會發生硬化現象。 12-2高分子材料
12-2高分子材料 人造橡膠即為合成橡膠，與塑膠的製法相似，是有機高分子聚合物，主要的合成橡膠有丁二烯橡膠、壓克力橡膠、乙烯橡膠等。無論是天然或人造橡膠常加入適量的碳煙粉（Carbon black）作為強化填充劑。 由各種不同的單體所聚合而成的合成橡膠是石化原料，用二烯烴和烯烴為單體聚合而成的高分子，其性能不如天然橡膠全面，但具有高彈性、絕緣性、氣密性、耐油、耐高溫或低溫等性能。
常見的製品有橡膠管、墊圈、皮帶、橡皮緩衝器、印刷機滾筒、氣體導管及電絕緣體等，其中輪胎是以天然橡膠及合成橡膠為原料，取天然橡膠的彈性與抓地力等優點，再取合成橡膠的耐用特性而成，如圖12-7 所示。 12-2高分子材料
12-3複合材料 複合材料是由兩種或兩種以上不同原料合成的獨特物料，複合材料的品質比原來的兩種原料更優秀，例如：更堅韌、更牢固、更耐用等。 現代的科技已可依需求製造出非磁性、抗腐蝕性、不同部位有不同強度，以及不會被雷達探測到的複合材料。
12-3複合材料 雖然有很多人工合成的物料（例如：合金）都是由兩種或兩種以上原料合成的，但由於它們是由原料的分子經混合及被重新排列形成的新結構（混合後兩種原料的分子無法再被分開），因此不能被歸類為複合材料。 複合材料中各原料的分子並無被混合或重新排列，通常原料之間形成不同的界面，我們能以肉眼分辨出複合材料內的各種原料。
最常見的複合材料是纖維複合物。它們是由埋藏在基材的纖維組成，基材中的纖維能增加基材的強度，如圖12-8 所示。 12-3複合材料
12-3複合材料 複合材料所使用的強化材料主要有粉體、粒子、纖維、薄片、帶子、織布等。由於纖維的尺寸較小且缺陷較少，所以，相對的強度比較強。 再者，纖維形狀細長容易撓曲，而且大部分纖維都具有很高的強度及較低的比重， 所以，纖維是最常用來作為複合材料的強化材。
12-3複合材料 粒子形狀的強化材，小者如微米以下，大者如砂石都是屬於此一領域。 此種強化材料所構成的材料稱為粒子複合材。
12-3複合材料 玻璃纖維是由組成玻璃的物質經過高溫熔化與冷卻後拉伸成型而成，其粗細僅約人類頭髮的十分之一左右。 由於其本身為玻璃，具有耐高溫不腐蝕、不燃燒等特性。 且其軟化點約在840℃左右，具有高強度、尺寸安定、低熱膨脹係數及疏水性等，故被大量的使用於複合材料上。
12-3複合材料 實際上，在工業產品中，用於製造碳纖維者為瀝青與聚丙烯，主要原因是所得產品的性能最好，可用於航空工業、運動器材、土木建築及電池等方面，如圖12-9 所示，用途極為廣泛。
12-3複合材料 氧化鋁纖維是以陶瓷材料（Al2O3）為主要原料所製成的無機纖維。 氧化鋁的熔點為2050℃，先製成紡絲液後，再紡成絲，此種絲在空氣中以1000℃溫度加熱製成。氧化鋁纖維具有耐熱性高、化學安定性佳、高彈性模數、耐衝擊性佳、耐磨耗性好、為電的絕緣體、低磁化率、無色透光性等特性，故可應用於各種複合材料的製造。例如：吸音棉（如圖 12-10 所示）、耐火纖維紙品、耐火纖板、電阻絲組件等。
