材料与奈米科技的发展与人物.pdf

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1、第十三章材料與奈米科技的發展與人物第十三章材料與奈米科技的發展與人物人類文明的演進，可以由材料的進步看出來。例如人類的歷史常區分成石器時代、陶器時代、青銅器時代、鐵器時代等，而石頭、陶器、青銅、鐵都是材料的名稱，所以使用不同的材料代表人類生活與科技發展到了不同的階段。同時，人類科技的精密度也可說明時代的演進，以下僅就材料科技及奈米科技來說明。13.1材料科技現代材料科學則是研究材料成分、製造方法、物理特性（硬度、延展性、熔點、密度、導電性、導熱性、熱膨脹系數等）、化學特性（對酸鹼之抗腐蝕性、抗氧化性或防銹性、生化反應等）等的學科。13.1.1材料科技的重要與影響現代人類社會使用的材料

2、種類越來越多，性能也越來越好。舉例而言，若無耐高溫的超合金材料，則無今日蓬勃的航空工業；若無矽單晶材料製程的發明，不會有今日的電腦科技（圖13-1）；又若無精密陶瓷材料之研發，則太空梭等太空航空器無法安然從圖13-1合金渦輪葉片（左）及矽晶片（右）287科技發展與人物外太空返回地球。所以一個優秀的設計若無適當的材料配合，則此設計只是一個無法實現的理想。13.1.2材料的分類我們常將材料區分為結構材料及功能材料兩種，一般常見的材料可分為金屬材料、陶瓷材料、聚合體（或稱高分子材料或塑膠）、複合材料及半導體材料，其中前四種同時具有結構及功能材料之雙重特性，只有半導體材料僅具有功能材料之特性

3、。這五類材料分別介紹於後。13.1.2.1金屬材料從使用的觀點來看各種材料，我們可以發現金屬材料是最好的材料，金屬材料同時也是用量最多的材料。這是因為金屬材料具有許多優點，例如良好的強度、容易變形加工的能力、耐衝擊、耐溫度變化、價格便宜等特性。金屬材料主要是依靠金屬鍵的強鍵結將原子緊緊的結合在一起。由於金屬鍵強且無方向性，所以金屬具有很高的強度，可任意加工改變其形狀；另外，由於金屬材料內部有自由電子，所以金屬材料不透光，同時為熱與電的良導體。常見的金屬材料簡介如後。1.鋼鐵鋼鐵是發展重工業的首要原料，歐洲冶煉鋼鐵已有較長的歷史，但主要限於小作坊生產，工藝粗糙。日益發展的工業對鋼鐵的需

4、求也日益增大，英國在18世紀初時每年都要從國外進口鋼鐵，因為國內產量跟不上。大不列顛並不缺少鐵礦，之所以鐵產量不高主要是因為用來煉鐵的燃料不夠，當時的冶煉技術只知道用木炭煉鐵，而英國的森林資源日見枯竭，用木炭煉鐵成本越來越高。煤雖然已大量開採，但煤中含有硫化物，直接用煤冶煉不出品質良好的鐵來。1735年，阿布拉罕．達比在其父親多年試驗的基礎上發明了焦炭煉鐵法。如同將木材燒成木炭一樣，煤也可以先煉成焦炭，再用焦炭煉鐵，這樣煉出的鐵品質優良，也解決了木炭短缺問題，焦炭煉鐵法馬上得以推廣。1750年，鐘錶匠本傑明．亨茨曼（1704-1776）由於在市場上找不到適合製造發條的材料，決定自己試

5、驗煉鋼，當時煉鋼面臨的主要問題是火爐的溫度不夠高，亨茨曼發明了用耐火泥製的坩堝煉鋼，他將生鐵投入坩堝後將鍋封閉，再用焦炭維持高溫使鐵成為鐵水，由於鐵水與空氣相隔絕，煉出的鋼相當純淨。1760年，工程師斯密頓發明了鼓風機，用水力驅動，它使焦炭溫度大大昇高，從而提高了煉鐵的效率。瓦特發明蒸汽機之後，被廣泛用於鼓風機上，使煉288第十三章材料與奈米科技的發展與人物鐵水平普遍提高。1784年，工程師亨利．科特（1740-1800）發明攪拌法，他使用攪煉爐在鐵熔化後攪拌成團，冷卻後煅壓即成熟鐵。此法省力而有效，使煉鐵技術邁入一個新的境界。早期（包括古代）所使用的鋼鐵材料主要為鐵與碳之合金，這是

6、因為鐵礦中都含有雜質—碳、矽、錳、磷及硫，同時冶金技術並不好，不了解合金特性且無法添加其它元素改良其性質。目前所使用之鋼鐵材料是以鐵為主，再添加一些元素，如碳、矽、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鎢或鈦等，可區分為純鐵、普通碳鋼、鑄鐵、合金鋼、工具鋼及不銹鋼等。鐵碳合金可依含碳量之多寡而區分為下列三種：　純鐵：含碳量低於0.02%，韌性及塑性佳，然而硬度差；　普通碳鋼：含碳量為0.02%—2.0%，強度高，韌性和塑性佳，應用範圍最廣；　鑄鐵：含碳量為2.0%—4.5%，質硬且脆，塑性差，通常採用鑄造方式製造成品，一般常見於工具機之底座或是鑄成肖像。一般鋼材之缺點為易生銹，且不耐腐蝕，容易磨損等，

7、所以才會添加其它元素以增強其某一方面之性質，例如耐高溫及高硬度之鎢鋼等。一般民生用品常見之耐腐蝕的304或316不銹鋼是因為含有鉻、鎳等元素，可在器具表面產生一層薄薄的保護膜以避免氧化生銹；304不銹鋼俗稱白鐵，用量較多，316不銹鋼之鉻、鎳含量與304不銹鋼差不多，但是316不銹鋼多含了1%—3%的鉬，因此特別抗氯鹽的局部腐蝕，所以價格也比較貴，應用於對耐腐蝕性要求較高的環境。但是，若不銹鋼中之鉻、鎳元素的添加量不夠，則一樣會生銹。因為台灣是海島，空氣潮