材料科学导论

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1、材料科學導論德霖技術學院機械工程系張添財第一章緒論鋁(金屬)、玻璃(陶瓷)及塑膠(高分子)三種不同材質的可口可樂飲料罐。1-1歷史觀點從歷史觀點來看，一個社會的發展與進化，與其社會成員對生產及利用物料來滿足需求之能力有著密不可分的關係。以物料的發展程度來命名早期的文化(如石器時代、銅器時代)。最早期的人類僅能應用一些有限的天然材料，例如石頭、木頭、黏土及皮革等。新材料包含陶器及許多其他金屬。更進一步發現一個材料的性質是可以被熱度或加注其他物質所改變的。材料的利用已完全是一種選擇的過程。1-2材料科學與工程材料科學，對材料結構及性質間的關係作研究調查，材料工程則是以材料結構及性質間的交互

2、關係為基礎，來設計或操縱材料的結構以製成一組材料性質。材料的結構通常關係著其內部元素的排列組合。「結構」包含了原子與分子之間的組織狀態。次一個較大的結構組織包含了一大群通常會凝聚在一起的原子，我們稱之為「微觀」，代表了可以用顯微鏡來直接觀察其結構。而最後，可用肉眼直接觀察的結構元素則稱之為「巨觀」。性質的定義與材料的形狀及大小無關。固態材料所有重要的性質可歸納成六種不同的種類:機械性質、電性質、熱性質、磁性質、光學性質及劣化性質。即「製程」與「性能」，一個材料的結構決定於它是如何加工而成的，一個材料的性能是其性質的函數，製程、結構、性質及性能間的相互關係是程線性的。圖1.製程結構性質性

3、能氧化鋁左邊的我們稱之為單晶，非常完美的排列，進而產生其透光性中間的試片，細小單間的晶界散射了一部份由印刷品所反射的光線，導致此材料的光學性質程半透明右手邊的試片大量的小孔或空孔，孔洞有效地散射了反射的光線並導致此材料程不透明狀。1-3為什麼要學習材料科學及工程為什麼我們要研習材料？材料的設計問題。材料中選擇出正確適用的材料，最後應用狀態的條件，材料是否會在應用操作時產生劣化則是第二個在選擇材料時的考量最具決定性的考量則是經濟性—成本。一個工程師或科學家熟悉材料的特性及結構，以及材料的製程技術。1-4材料的分類固態材料已被簡易的分成三大基本類型:金屬、陶瓷和高分子，基於化學構造和原子結

4、構。複合材料是由兩種或兩種以上不同的材料所組成半導體是因其特殊的電性而被採用生化材料則被用來植入人體金屬金屬元素組成金屬鍵包含了大量的自由電子是絕佳的導電及導熱體光線下呈不透明狀，金屬表面則會呈現出光澤感金屬不僅堅固而且亦不易變形陶瓷離子鍵或共價鍵陶瓷是金屬與非金屬元素的化合物電和熱絕緣體抵抗高溫和惡劣的環境陶瓷雖然堅硬但亦十份易碎。高分子包含了塑膠和橡膠材料有機化合物並以碳、氫和其他非金屬元素為質學基礎低密度且極度柔軟的材料複合材料複合材料的設計是為了展示每一種材料成分最佳的特性組合玻璃纖維就具備了玻璃的硬度和高分子的柔軟性。半導體半導體有著介於導體和絕緣體中間的電性電性對於少量雜質

5、的濃度十份敏感半導體來了積體電路的誕生，積體電路則對電子和電腦工業有著革命性的影響。生化材料生化材料被採用於人體因疾病或傷殘而需植入替代品這些材料必須不會產生毒性且和人體組織相容。1-5先進材料運用於高科技的材料有時又被稱作(先進材料)在此所謂的高科技是指使用複製且臻密的原則來操作或運作的裝置或產品雷射、積體電路、磁片儲存、液晶顯示器(LCDs)、光纖的材料，及繞行軌道的太空梭之熱保護系統。奈米材料1-7現代材料的需求技術上的挑戰，精密和特殊化的材料，核能燃料和放置放射性廢料的設備等許多存在的問題，減少運輸設備的重量和增加引擎運作溫度可以改善燃料效率。直接利用太陽能轉換為電能，但太陽能

6、使用了一些複雜且昂貴的材料。環境品質決定於我門控制空氣及水污染的能力，而污染控制技術使用了多種材料。改善材料製程及精煉方法以減低環境的惡化。材料是源自於無法再生的資源，主要原料來自於石油的高分子以及其他一些金屬。這些無法再生的資源正逐漸乾涸〈1〉開發額外的儲藏〈2〉研究具有相同等性質且對環境負面影響較低的新材料〈3〉更努力做資源回收以及發現新的回收技術。習題一1.請說明材料種類和其具有代表的特性。Ans：金屬：金屬是絕佳的導電及導熱體，表面則呈現出光澤感，強度佳不易變形。陶瓷：陶瓷是典型的電和熱的絕緣體，且比金屬和高分子更能抵抗高溫和惡劣環境。高分子：包含了塑膠和橡膠材料，這些材料具有

7、低密度且極度可撓性。複合材料：是一種被設計為超過一種材料所組成的材料，它的設計是為了展現每一種成分材料最佳特性的組合。半導體：半導體具有介於導體和絕緣體中間的電性質，這種材料的電性對於少量雜質存在的濃度相當敏感。生化材料：生化材料被使用於人體因疾病或傷殘而需植入的替代品，而以上材料皆有可能被當作生化材料使用。2.請說明先進材料和應用。Ans：運用於高科技的材料有時又稱作「先進材料」，在此所謂的高科技是指使用複雜且慎密的。3.請說明現代材料的需求