【精品】材料工程与科学

1、1材料工程與科學目標.介紹材料科學基本觀念學習內容: 材料結構(Structure) 結構如何決定性質(Property) 製程(Process)如何改變結構本課程可幫助你: 適當選用材料 在新設計上應用材料進行2第一章 簡 介材料科學是什麼 ? 有什麼重要內容 ?材料促進社會進步石器時代銅器時代 （金屬）鐵器時代 （金屬）現在 ?矽時代 （半導體）?高分子 （塑膠）?奈米材料CHAPTER 1簡 介Introduction1.2 材料科學與工程( MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING)結構(Structure)包含原子和分子組織相互間的相對關係.結構意謂材料結構

2、與內部成份的排列 有關.性質(Property)是指材料特點,一般而言材料性質的定義與材料的形狀及大小無關.固體材料可分為6種不同性質: 機械,電性,熱,磁,光電與劣性.除結構與性質以外,另兩個材料相當重要的是製程(Processing)與性能(Performance).7ex: 鋼鐵的結構與性質 結構影響性質 Data obtained from Figs. 10.30(a)and 10.32 with 4 wt% C composition,and from Fig. 11.14 and associateddiscussion, Callister 7e.Micrographs adap

3、ted from (a) Fig.10.19; (b) Fig. 9.30;(c) Fig. 10.33;and (d) Fig. 10.21, Callister 7e. ex:鋼鐵的結構與冷卻速率 製程 改變 結構 性質、結構、製程Hardness (BHN)Cooling Rate (C/s)1002003004005006000.010.11101001000(d)30 mm(c)4 mm(b)30 mm(a)30 mm顯示三種氧化鋁試片具有不同的光學性質(即光的穿透性)，左邊的氧化鋁試片由於是單晶，所以是透明的，中間的氧化鋁球由於是多晶，所以晶片會教射一部分之反射光，故是半透明，右邊

4、的氧化鋁試片是具有 5% 孔隙度的多晶結構，所以是不透明的。 圖 1.21.3 Why Study Materials Science and Engineering材料問題是由成千上萬的可用材料中選出適用的材料,材料的選擇包括: 1.適當的材料特性與強度. 2.生產操作期間的劣化,例如腐蝕和氧化. 3.經濟性,成本考量.101.4 材 料 種 類金屬:金屬材料通常是由金屬元素組成,是電熱的導體,雖硬但會變形. 金屬鍵自由電子 : 高強度、韌性高熱傳、導電性不透明、反射性佳.陶瓷:陶瓷材料是電熱的絕緣體,硬度高具脆性,比金屬和高分子更耐高溫. 離子鍵 金屬、非金屬元素的化合物(氧化物、碳化物、

5、氮化物、硫化物)脆、玻璃態、彈性低非導電體 (電絕緣體)高分子/塑膠: 高分子材料包括塑膠和橡膠材料,許多是有機材料,化學上以碳,氫和其它機金屬為基礎,基本上具有非常大的分子結構. 共價鍵 共用電子柔軟、延性佳、低強度、低密度電、熱絕緣體光透明性、半透明性11實例： 發展新型高分子商用塑膠 使用量大例：聚乙烯 Polyethylene聚丙烯 Polypropylene聚苯乙烯 Polystyrene（發泡聚苯乙烯即為俗稱之保麗龍） 工程樹脂 使用量小例：聚碳酸酯樹脂 Polycarbonate尼龍 Nylon （或聚醯胺纖維 Polyamide ）聚諷 Polysulfonef03_01_pg

6、6f03_01_pg6f04_01_pg6f04_01_pg6f05_01_pg7f05_01_pg7f06_01_pg7f06_01_pg7f07_01_pg8f07_01_pg817電性 銅導電性: 加入雜質原子提高銅的電阻 變形提高銅的電阻.Adapted from Fig. 18.8, Callister 7e.(Fig. 18.8 adapted from: J.O. Linde,Ann Physik 5, 219 (1932); andC.A. Wert and R.M. Thomson,Physics of Solids, 2nd edition,McGraw-Hill Comp

7、any, New York,1970.)T (C)-200-1000Cu + 3.32 at%NiCu + 2.16 at%Nideformed Cu + 1.12 at%Ni123456電阻, r (10-8 Ohm-m)0Cu + 1.12 at%Ni“Pure” Cu18熱性質（1） 太空梭隔熱磚： -矽纖維隔熱層提供低的熱傳導性Adapted fromFig. 19.4W, Callister 6e. (Courtesy of Lockheed Aerospace Ceramics Systems, Sunnyvale, CA)(Note: W denotes fig. is on C

8、D-ROM.)100 mm 奮進號太空梭隔熱瓷片：高純度氧化鋁纖維(99.8%) silica fibers (10%) and 空間(90%) Credit: NASA可重複使用高溫表面隔熱磚High-temperature reusable surface insulation (HRSI)Credit: Wikipedia19Adapted from Fig. 19.4, Callister 7e.(Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous alloys and Pure

9、 Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing Editor), American Society for Metals, 1979, p. 315.)Composition (wt% Zinc)Thermal Conductivity (W/m-K)4003002001000010203040 銅的熱傳導性: -加入鋅降低銅的導電度!但強度,硬度增加熱性質（2）20磁 性 磁導率 vs. 成分: -加入 3 at. % Si使Fe變成更 佳的記錄介質!Adapted from C.R. Barrett, W.D. Nix, andA.S. Tete

10、lman, The Principles ofEngineering Materials, Fig. 1-7(a), p. 9,Electronically reproducedby permission of Pearson Education, Inc.,Upper Saddle River, New Jersey.Fig. 20.23, Callister 7e.(Fig. 20.23 is from J.U. Lemke, MRS Bulletin,Vol. XV, No. 3, p. 31, 1990.) 磁性儲存 : -磁頭磁化記錄介質Magnetic FieldMagnetiza

11、tionFe+3%SiFe儲存介質磁頭磁場磁化21 透明度: -氧化鋁因其結構不同而透明、半透明、不透明Adapted from Fig. 1.2,Callister 7e.(Specimen preparation,P.A. Lessing; photo by S. Tanner.)單晶多晶：低孔隙度多晶：低高孔隙度光學性質22劣化 應力與鹽水. -導致裂紋! Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 17, Callister 7e.(from Marine Corrosion, Causes, and Prevention, Joh

12、n Wiley and Sons, Inc., 1975.)4 mm- 7150-T651 鋁合金 (Zn,Cu,Mg,Zr)Adapted from Fig. 11.26,Callister 7e. (Fig. 11.26 provided courtesy of G.H.Narayanan and A.G. Miller, Boeing CommercialAirplane Company.) 熱處理：在鹽水中可降低裂紋速率Adapted from Fig. 11.20(b), R.W. Hertzberg, Deformation and Fracture Mechanics of En

13、gineering Materials (4th ed.), p. 505, John Wiley and Sons, 1996. (Original source: Markus O. Speidel, Brown Boveri Co.)10-1010-8增加荷重裂紋速率裂紋速率m/s無熱處理狀態160C-1小時7178鋁合金在23C飽和鹽水中試驗f08_01_pg8f08_01_pg8f09_01_pg9f09_01_pg9f10_01_pg9f10_01_pg9複合材料(Composites):由多於一種以上的材料所組成,玻璃纖維是最常討論的例子,將玻璃纖維埋進聚合體,強度來自玻璃,柔軟

14、性來自高分子.半導體材料(Semiconductors):半導體材料電性介於導體和絕緣體之間,使電子和電腦工業大舉革新.生醫材料(Biomaterials):生醫材料使用材料植入人體,以代替疾病與損害的部份,例如人工髖骨.智慧材料(Smart):智慧材料是目前發展中,對許多技術有明顯改善,例如形狀記憶合金,壓電陶瓷等.奈米材料(Nano):奈米單位10-9 m,其中奈米碳管是一項新的發現,探具有相當高的強度與極佳的性質. 27實例 人工髖關節 (Hip)移植隨著年齡增長關節逐漸老化以致毀損，尤其是受荷重較大的關節如髖關節 Adapted from Fig. 22.25, Callister 7e.28人工髖關節 (Hip)移植要求機械強度 （高循環數）潤滑性生物相容性Adapted from Fig. 22.24, Callister 7e.脊隨股骨球頭 髖臼股骨骨盆骨盆29人