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1、第一章材料簡介第一章材料簡介一、什麼是材料地殼表層是由岩石及礦物所組成，而組成的岩石與礦物便是製作材料的基本原料。簡單來說，原料是指天然生成且尚未加工的物質，而材料則是指原料經加工處理後所產生的物質。二、什麼是材料科學利用基本科學的原理，研究並分析材料的成分、組織、結構與加工方法，使材料能發揮其效能與用途，或是改良材料的性質。因此，想要製造高性能的產品，得需要有高性能的材料，而要有高性能的材料，就得對材料性能有深入的研究，而這也就是材料科學之所以重要的原因。材料科學承襲於礦冶工程，並以熱力學、反應動力學、結構學為基礎。三、材料種類材料的種類繁多，可分為「金屬材料」、「陶瓷材

2、料」、「電子材料」、「高分子材料」及「複合材料」五大類（或加計「生物材料」一類）。其實，任何一項產品，其構成的材料通常不止一種。例如：網球拍的拍面是高分子材料，而拍框則是複合材料。ß金屬材料：凡具有金屬光澤、不透明、富於延展性，屬於熱電的優良導體者，都稱為金屬；而結合兩種以上的金屬，且未喪失金屬特性者，則稱為合金。工程上很少使用純金屬，大多採用合金，如鋼鐵、鈦合金、鋁合金等。由於金屬材料具有良好的強度、韌性、導電導熱佳，是材料工業的基礎，但其缺點則是質量較重、耐蝕性不佳。ß陶瓷材料：陶瓷材料範圍很廣，通常是指金屬與非金屬元素之氧化物或其他無機化合物，如SiO2。陶瓷的使用由

3、來已久，新石器時代與彩陶文化的發現，已讓我們知道人類在遠古時代便知道如何燒製陶瓷。陶瓷具有良好的耐熱性、穩定性、抗蝕性等，但缺點則是延展性不佳、脆性大。ß電子材料：1948年美國貝爾實驗室發現半導體材料的導電性能及極高效能，使得半導體材料製造的元件逐漸取代真空管，促成電子工業的突飛猛進，並陸續發展出電腦工業。期間（從真空管、電晶體到積體電路）的快速發展，使得電子材料的需求量日益增加。ß高分子材料：是指具高分子量的物質，大多是有機化合物及人工合成的材料，最常見的便是塑膠、橡膠等。ß複合材料：結合兩種或兩種以上不同材料而達到特定性質的複合體，統稱複合材料。其可將不同材料的優點保

4、留，並增加材料的一些特性。四、金屬材料（Metal）金屬材料包括了金屬和合金材料，如鐵、鎂、鋁、銅、錫、鉛、鋼及其他很多不勝枚舉的金屬，一般都具有良好的導電及導熱性質，常用於結構物或承重元件上；兩種以上不同的金屬結合後，就稱為合金，一般而言，純金屬的應用較少，而合金元素則通常用來增進金屬的室溫與高溫機械性質，所以常見到工程師會要求使用具有特殊性質的合金來作為工程上的應用。1-1第一章材料簡介（一）鐵類合金鐵類合金主要是以鐵為主成份之鐵合金，透過平衡相圖，可以藉由熱處理技術來達到所要求的成份組織，並推知是否能達到所需的性質。一般的鐵類合金如：碳鋼、鑄鐵、不銹鋼⋯⋯，其中又可作

5、數十種以上的細分，這和其中含有的少量或微量元素或是和其熱處理方式不同造成的組織差異有關。常見的不銹鋼對腐蝕的抵抗力較佳，一般至少含有12％以上的Cr，在氧化環境中，可在鋼的表面形成一層薄的二氧化鉻膜，抑止進一步氧化的發生。（二）非鐵類合金非鐵類合金是以其他元素為主的合金，如鋁、鎂、銅、鋅、鉛、錫、鎳、鈷、鈦、鋯⋯⋯等合金。它們利用固溶、析出或相變化等方式來改變組織或性質，來達到合金設計者的要求，一般少見的貴金屬如鈦、鋯等，是被用於特殊的高科技材料中。耐高溫金屬：如鎢熔點達3,410℃、錸熔點3,180℃、鉬熔點達2,610℃、鈮熔點達2,468℃等，這些耐高溫金屬在熔鍊時較

6、不容易，所以一般採用如粉末冶金的方式來製造成型。五、陶瓷材料（Ceramics）陶瓷材料主要是由金屬的氧化物或碳化物所構成。具有與金屬不同的鏈結特性，因此其物性與金屬差異很大。例如鋁是金屬，而氧化鋁是陶瓷，氧化鋁的鏈結主要是離子鍵，較鋁之金屬鍵強上許多，也因此其熔點也比鋁高上很多，但因離子鍵結使得陶瓷導熱能力差，因而成為良好的絕緣體，不過也因為鏈結的特性，使其硬度雖高，但延展性卻相當差且易脆。除了陶器外，黏土燒成的磚、瓦以及水泥製品等都算是陶瓷。一般而言，這一類用在建材上的陶瓷，又通稱結構陶瓷。隨著科技發展，現在的陶瓷已有長足的進步。陶瓷應用於精密儀器中也十分普遍，這類光電

7、用陶瓷，一般又稱精密陶瓷。一般而言，陶瓷材料都具有一定的結晶結構，但如果在加工過程中，冷卻速度太快，其分子來不及排列，而形成非定形的結構，我們通稱之為玻璃。以氧化矽為主的玻璃，在我們日常生活中最為普遍。而氧化矽在鏈結中以四面體結構存在而構成玻璃的網狀結構，這個結構是玻璃強化的主要機制。如果在玻璃中加入其他成份，例如鈉及鈣，四面體的網狀結構會被破壞，可使其軟化，容易加工。如加入氧化棚及氧化鈉之玻璃，由於成形容易，可製成燒杯及試管等。利用加工之技巧，我們也可製造出其結構介於陶瓷及玻璃之間的玻璃陶瓷。一般的玻璃陶瓷其結晶