1、按一下以編輯母片標題樣式 科技與材料 10-1 材料概論 10-2 科技與奈米材料 10-3 材料科學與生活Chapter10.科技的發展需藉材料的開發做基石，材料一直與人類的發展息息相關，人類的生活演進，除了思想觀念外，物質的發明扮演著相當重要的角色。 從日常生活到航天科技、生醫科技、光電科技及光學工業、汽車及造船工業、通訊技術及五金機械等方面無所不包，這完全歸功于科技材料進步的成果 。.10-1 材料概論常見的材料可分成金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復合材料、電子材料及通訊材料等類。10-1-1 金屬材料（Metallic material）金屬材料通常指工業上各種物質制造時所使用之金屬

2、或合金。金屬材料有時也包含一些非金屬元素的無機材料。多種金屬元素結合或金屬元素與非金屬元素結合的金屬材料稱為合金，.如鐵與碳所形成的合金稱為碳鋼；銅與錫的合金稱青銅。金屬材料依使用金屬的不同，大致可分為兩大類：第一類是以金屬鐵（Fe）為主，并含有其他元素的合金，鐵元素所占的比率較高，如鋼、不銹鋼；第二類為非鐵金屬的金屬材料，如銅（Cu）、鋁（Al）、鎳（Ni）、鈦（Ti）等。不銹鋼是由鐵、鉻、碳及其他不同元素所組成的合金，不銹鋼產品如餐具、廚具、門、窗、機械零件、水塔、室內裝潢、3C 產業（通訊、計算機與消費性電子產品）、醫療及航天材料等。.高清凈化的合金發展，乃指合金在特定的設計及制造過程中

3、，其內部缺陷的控制或抑制以達特定的低限值，進而使合金具有優異的機械、化學或物理性能，此等高清凈度的合金可應用在計算機屏幕網罩、生醫材料的人工關節及醫療器材（高清凈的鈦基和鈷基合金），其他如飛機引擎零組件、特殊切削工具、機械用高負荷軸承等等，無一不是高清凈度的合金。 .10-1-2 高分子材料（Polymeric material）高分子材料亦稱為聚合物材料，其化學組成是由碳、氫和其他非金屬元素為基礎而組成的高分子化合物，此類材料通常具有非常大的分子結構、低密度、性能柔軟等特性，高分子材料中比較重要的兩種材料分別為塑料材料與彈膠體材料。彈膠體材料即為橡膠材料，可用來制作汽車輪胎、保齡球等；塑料為

4、聚合反應所合成的鏈狀物質。.兩制程中由許多被稱為單體（monomer）的小分子以產生共價鍵的方式相結合，形成相當長的長鏈分子此稱為聚合物或高分子化合物。塑料主要成份是樹脂（resin），次要成份有填充料（filler）、可塑劑（plasticizer）、安定劑（stablizer ）、溶劑（ s o l v e n t ）、固化劑（ f i x e r ）、著色劑（colorant）、潤滑劑（lubricant）等。塑料在結構上一般可分為熱塑性（ t h e r o m p l a s t i c ） 及熱固性（theromsetting）高分子化合物。熱塑性高分子化合物，如：聚乙烯 、聚丙烯

5、 、聚氯乙烯 、聚苯乙烯.、聚酰胺（polyamide ，尼龍nylon）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene ，鐵氟龍Teflon）等等，其特性是：1. 少架橋（cross-links）2. 加熱后立即軟化3. 可雕塑成不同形狀物質4. 無延伸支鏈熱固性高分子化合物，有酚甲醛樹脂（ Phenolformalde hyde resin）、尿醛樹脂（Ureaformaldehyde resin）、環氧樹脂（Epoxy）、聚胺基甲酸酯（Polyurethane）等.其特性是：1. 有許多架橋（cross-links）2. 加熱后立即硬化3. 不易產生形變4. 加熱后架橋的鏈

6、會分裂5. 溶解前可燃燒等特性。常見塑料的性質與用途，列于表4-1 和表4-2 。.應用的領域除日常生活包裝、用具、器皿外，也應用在工業方面（如：機械配件、黏著劑、電路模板、安全玻璃等等）、醫學方面（如：假牙、人工關節、義肢、人工心臟瓣膜等等）、科學方面（如：實驗器材、原子模型、儀器外殼等等）、建筑方面（如：泡沫塑料用于隔熱、強化聚酯塑料美觀建材等等）等。4-1-3 陶瓷材料（Ceramic material）陶瓷材料在工程應用上大致可分為兩類型：一為傳統陶瓷，另一為工程陶瓷。傳統陶瓷的基本原料有黏土、石英和長石三種。 .各種日用品、工藝品與裝飾品等生活相關用品，建筑業所用的磚、瓦和電子工業中

7、的電子陶瓷，皆是傳統陶瓷的代表例子。 工程陶瓷的原料則為純凈或幾近純凈的化合物，如氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4），通常做為工業用耐火材料、功能陶瓷（具有熱、電、聲、光、磁、氣等功能相互轉換特性的功能）、生物陶瓷（用在人體或動物肌體具特殊生理功能）。.10-1-4 復合材料（Composite material）藉組合兩種或多種不同的材料，形成一種在某方面具有比單一組成材料更好或更重要性質的新功能材料，如合金、高分子材料、普通碳鋼、玻璃纖維強化塑料等。纖維強化塑料為產業界最常使用的復合材料，強化塑料材料的纖維主要有三類：玻璃纖維、酰胺纖維及碳纖維，其中玻璃纖維是使用

8、最廣泛，也是最經濟的的強化纖維 。.10-1-5 電子材料（Electronic material）用于電子方面特別視微的材料稱為電子材料，如硅（Si）、鎵（Ga）、鍺（Ge）等，電子材料是所有電子組件的基礎，新的技術發展出新的組件，如半導體組件、集成電路等 。半導體（semiconductor）是導電性介于金屬與絕緣體間的材料，如硅（Si）、鍺（Ge）等，此族中添加IIIA 族元素，如硼（B）、鎵（Ga）等，而成為p - 型半導體；加入 V A 族元素， 如氮（N）、砷（As）等，則形成n-型半導體。.10-2 科技與奈米材料物質小到奈米（1nm=10-9m）尺寸時會產生新特性，包括量子效應

9、及表面效應，奈米材料（nanomaterials）將是產業升級的催化劑與觸媒。奈米是衡量尺寸大小的單位，奈米與食物沒有任何關聯，一奈米是一公尺的十億分之一，到底有多小呢?人發的直徑大約是八萬奈米。以一公尺高的小女孩為標準，逐步縮小尺度，在奈米尺度下，可以觀察到這個小女孩的DNA 分子結構。.奈米級結構材料 ，一般指其晶體大小介于1100nm 范圍之間。主要特性有： (一)由于其尺寸接近光波長，加上其具有大表面積的特 殊效應，因此所表現出的特性往往不同于塊材材料 (bulk material)之性質，如磁性、光學、熱傳、擴散 及機械性等。（二）奈米材料的晶相或非晶質排列結構與一般同材 料在塊材中

10、之結構不同。（三）可使原本無法混合的金屬或聚合物混合而成合金。.10-2-1自然界中的奈米結構產物蜜蜂身體內存在一種磁性的奈米粒子，有羅盤的功能，成為蜜蜂飛行時的衛星導航系統，蓮花出污泥而不染，中國古代中的鑄劍大師，已創造了奈米晶體的結構，凡鐵鑄成寶劍不銹蝕，又能削劍如泥。.10-2-2 奈米應用商品化廣泛用于觸媒化學、生物科技、醫療、分子工學、粉體材料、環境、能源等， 鯊魚膚具有精確定義表面粗糙的塑料薄膜，涂在飛機表面上，即可減少流體阻力，使燃料消耗降低大約3%；蓮花出淤泥而不染的效應，也將使擦洗窗戶和墻壁成為歷史，因為雨水可以沖刷污垢，德國有名的清潔公司Henkel 和DegussaHul

11、s 就推出室外防塵粉刷漆料，雨水一來就清潔溜溜。.汽車窗戶玻璃的化學材料聚碳酸酯，高耐刮強度，而這項新技術就是以化學奈米為基礎開發出來的。 奈米科技在醫藥及生技上應用也將起革命性的變化。發展微機電的送藥膠囊，將藥劑微小化放進人體中，可控制釋藥量與時間，對長期且固定服藥的患者來說，可達到按時服藥，又不易忘記的好處；傳感器則可利用微機電方式將內視鏡微小化，且制做成膠囊型，直接服用即可達到偵測體內血管、腸胃的效果，可能偵測到大腦、心臟等更細微的器官組織。.10-3 材料科學與生活食、衣、住、行、育、樂、醫療、通訊，乃至太空發展及國防等，無一不與材料相關聯。4-3-1 材料應用在日常生活如防火、防震建材使我們住的安全有保障；尼龍、達特龍及人造纖維的發明使得衣服的質料更舒適更保暖；復合材料中的碳纖維應用在腳踏車的制造，使得腳踏車工業再度受重視；磁浮列車的開發將可大大縮短南北的距離；光盤CD 、影碟LD等聲光產品的問世，使得人類的生活獲得調適。由于半導體材料的發展，使得電子材料體積大大地縮小，由真空管時代經晶體管到現在的集成電路（IC 化），功能廣度也增加不少，輕薄短小、速度快、易攜帶等，是現在的特色 。.激光技術應用在醫學上進行開刀手術、切割；人工關節、假牙等生醫材料；傳感器應用醫學上的偵檢，提高了醫療效果。10-3-2 材料