材料科學導論

《材料科學導論》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、材料科學導論市面常見的飲料容器大多由三種不同材料所製成，以可口可樂汽水為例，他有三種不同材質容器裝載飲料。圖1的可口可樂汽水分別為塑膠瓶（高分子）與鋁罐（金屬）等材質。圖2則採用玻璃瓶（陶瓷）的材質。當然還有許多飲料利用複合材料如利樂包等（如圖3），由鋁（金屬）、紙（高分子）、塑膠膜（高分子）等共同組合而成。圖1保特瓶與鋁罐之可口可樂汽水圖2玻璃瓶裝之可口可樂汽水圖3利樂包麥香紅茶材料的分類固體材料一般區分成三個基本類別：金屬、陶瓷和高分子。此種描述主要是基於其化學成分和原子結構，雖然有些是中間物，但大部分材料會落在一個可區別的類屬。材料導論第1頁一、金屬(Metals)

2、金屬材料通常由金屬元素所組成，其具有大數目的自由電子；也就是說，這些電子不會被特定的原子所束縛。金屬的許多性質直接歸因於這些電子。金屬是電及熱的良導體，且可見光通常不能穿透；拋光的金屬表面具有光澤的外貌（圖4）；此外，金屬雖然十分強硬，但也會彎曲變形（圖5），其結構上的特質被人們廣泛應用在於各種場合。圖4鈦鍺手鍊圖5因地震造成鋼軌的變形二、陶瓷(Ceramics)”陶瓷”一詞來自希臘字”Keramikos”，意思是”焦赭色物質”，這也代表著這些材料的優良性質是藉由焙燒(firing)的高溫熱處理過程而達成。大約50年前，此類物質中最重要的材料被命名為”傳統陶瓷”，主要原料

3、是泥土；傳統陶瓷的製品有陶瓷、瓷器、磚、瓦、玻璃和高溫陶瓷。現在陶瓷是指無機和非金屬材料。陶瓷是金屬和非金屬元素間的化合物；它們最常見的是氧化物、氮化物和碳化物（圖6）。大多數的材料落在此類中，其中包括由黏土礦物、水泥和玻璃所組成的陶瓷（圖7）。這些材料是典型的電和熱的絕緣體，且比金屬和高分子更耐高溫和苛刻環境。陶瓷的機械性，表現很硬但非常脆。這些新材料對我們的生活有相當大的影響；充斥於電子、電腦、通訊、航太和其他工業上。圖6高溫超導釔鋇銅氧化合物(Y-Ba-Cu-O)圖7陶瓷汽缸外表為金屬，內部才是陶瓷材料導論第2頁三、高分子(Polymers)高分子(macromol

4、e-cule)，通常是指一種材料的分子量大於1萬以上，而另一個名詞聚合物(polymer)，卻是由許多可重複出現的小單元，連結而成的巨大分子。來自於植物及動物的天然高分子,包括木材、橡膠、棉花（圖8）、羊毛、皮革及線。其他的天然高分子如蛋白質、酵素、澱粉和纖維素，在植物和動物的生理上扮演重要的角色。現代化的科學工具（如電子顯微鏡STM、SEM）更加幫助我們了解材料的分子結構。事實上，自二次世界大戰之後，合成高分子的出現使得材料的領域幾乎歷經一場革命；人工製品價格低廉，且它們的性質甚至達到或優於原物質。在某些應用上，由於它們令人滿意的性質和較低的價格，金屬和木頭零件逐漸被塑

5、膠取代。常見的高分子（或聚合物）包括熟悉的塑膠和橡膠材料（圖9），它們大部分是有機化合物，其化學上以碳、氫、氧和其他非金屬元素為基礎；此外，它們有非常大的分子結構，這些材料典型地具有低密度、低強度、高延展的機械特性。圖8天然棉花圖9寶特瓶為聚合物常見的工程材料現在許多工業上為了各式各樣的需要的而製造出不同的材料，包括下列幾種重要工程材料：複合材料、半導體、生醫材料、先進材料和聰明材料。複合材料是由兩種或更多種不同的材料所組成，半導體具有特殊的導電及發光特性，生醫材料則是用於植入人體中，先進材料則是指高技術（高科技）應用的材料,而聰明材料則是本身具有感測與處理信息之能力。一

6、、複合材料(Composites)許多工程用的複合材料是由多種的材料型式所組成，組合每一種材料的最佳特性而成。如玻璃纖維便是將玻璃纖維埋進聚合體材料中（圖10）；其所需的強度來自玻璃，而柔軟性則來自高分子（圖11）。材料導論第3頁圖10光纖管.圖11玻璃纖維安全帽，總重1200公克佩帶輕盈卻不會有壓迫感二、半導體材料(Semiconductors)半導體的導電性位於導體和絕緣體之間，而這些材料的電特性對於存在的少量雜質，非常敏感，可用摻雜（doping）的技術來提高材料導電性。半導體使積體電路的時代來臨，積體電路大舉革新電子、電腦工業及未來的生活（圖12、13）。圖12在

7、台北縣碧潭旁的太陽能標誌圖13CPU三、生醫材料(Biomaterials)生醫材料用於植入人體中，以替代疾病或身體損傷的部分零件，這些材料必須不產生毒物，且必須與身體的組織相容，不允許導致不良的生化反應產生。上述的所有材料：金屬、陶瓷、高分子、複合材料和半導體，都可用來當做生醫材料。例如：人工髖骨（圖14）材料導論第4頁圖14美國生產的ZimmerMultilock型無骨水泥人工髖關節(左側為全人工髖關節、右側為雙極半人工髖關節)四、先進材料（AdvancedMaterials）先進的材料意指應用高技術或高科技的材料，而高技