【中学】科技与材料

科技与材料

10-1材料概论

10-2科技与奈米材料

10-3材料科学与生活Chapter10整理课件科技的发展需藉材料的开发做基石，材料一直与人类的发展息息相关，人类的生活演进，除了思想观念外，物质的发明扮演着相当重要的角色。从日常生活到航天科技、生医科技、光电科技及光学工业、汽车及造船工业、通讯技术及五金机械等方面无所不包，这完全归功于科技材料进步的成果。整理课件10-1材料概论常见的材料可分成金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料、电子材料及通讯材料等类。10-1-1金属材料（Metallicmaterial）金属材料通常指工业上各种物质制造时所使用之金属或合金。金属材料有时也包含一些非金属元素的无机材料。多种金属元素结合或金属元素与非金属元素结合的金属材料称为合金，整理课件如铁与碳所形成的合金称为碳钢；铜与锡的合金称青铜。金属材料依使用金属的不同，大致可分为两大类：第一类是以金属铁（Fe）为主，并含有其他元素的合金，铁元素所占的比率较高，如钢、不锈钢；第二类为非铁金属的金属材料，如铜（Cu）、铝（Al）、镍（Ni）、钛（Ti）等。不锈钢是由铁、铬、碳及其他不同元素所组成的合金，不锈钢产品如餐具、厨具、门、窗、机械零件、水塔、室内装潢、3C产业（通讯、计算机与消费性电子产品）、医疗及航天材料等。整理课件高清净化的合金发展，乃指合金在特定的设计及制造过程中，其内部缺陷的控制或抑制以达特定的低限值，进而使合金具有优异的机械、化学或物理性能，此等高清净度的合金可应用在计算机屏幕网罩、生医材料的人工关节及医疗器材（高清净的钛基和钴基合金），其他如飞机引擎零组件、特殊切削工具、机械用高负荷轴承等等，无一不是高清净度的合金。整理课件10-1-2高分子材料（Polymericmaterial）高分子材料亦称为聚合物材料，其化学组成是由碳、氢和其他非金属元素为基础而组成的高分子化合物，此类材料通常具有非常大的分子结构、低密度、性能柔软等特性，高分子材料中比较重要的两种材料分别为塑料材料与弹胶体材料。弹胶体材料即为橡胶材料，可用来制作汽车轮胎、保龄球等；塑料为聚合反应所合成的链状物质。整理课件两制程中由许多被称为单体（monomer）的小分子以产生共价键的方式相结合，形成相当长的长链分子此称为聚合物或高分子化合物。塑料主要成份是树脂（resin），次要成份有填充料（filler）、可塑剂（plasticizer）、安定剂（stablizer）、溶剂（solvent）、固化剂（fixer）、着色剂（colorant）、润滑剂（lubricant）等。塑料在结构上一般可分为热塑性（theromplastic）及热固性（theromsetting）高分子化合物。热塑性高分子化合物，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯整理课件、聚酰胺（polyamide，尼龙nylon）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，铁氟龙Teflon）等等，其特性是：1.少架桥（cross-links）2.加热后立即软化3.可雕塑成不同形状物质4.无延伸支链热固性高分子化合物，有酚甲醛树脂（Phenolformaldehyderesin）、尿醛树脂（Ureaformaldehyderesin）、环氧树脂（Epoxy）、聚胺基甲酸酯（Polyurethane）等整理课件其特性是：1.有许多架桥（cross-links）2.加热后立即硬化3.不易产生形变4.加热后架桥的链会分裂5.溶解前可燃烧等特性。常见塑料的性质与用途，列于表4-1和表4-2。整理课件整理课件整理课件应用的领域除日常生活包装、用具、器皿外，也应用在工业方面（如：机械配件、黏着剂、电路模板、安全玻璃等等）、医学方面（如：假牙、人工关节、义肢、人工心脏瓣膜等等）、科学方面（如：实验器材、原子模型、仪器外壳等等）、建筑方面（如：泡沫塑料用于隔热、强化聚酯塑料美观建材等等）等。4-1-3陶瓷材料（Ceramicmaterial）陶瓷材料在工程应用上大致可分为两类型：一为传统陶瓷，另一为工程陶瓷。传统陶瓷的基本原料有黏土、石英和长石三种。整理课件各种日用品、工艺品与装饰品等生活相关用品，建筑业所用的砖、瓦和电子工业中的电子陶瓷，皆是传统陶瓷的代表例子。工程陶瓷的原料则为纯净或几近纯净的化合物，如氧化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4），通常做为工业用耐火材料、功能陶瓷（具有热、电、声、光、磁、气等功能相互转换特性的功能）、生物陶瓷（用在人体或动物肌体具特殊生理功能）。整理课件10-1-4复合材料（Compositematerial）藉组合两种或多种不同的材料，形成一种在某方面具有比单一组成材料更好或更重要性质的新功能材料，如合金、高分子材料、普通碳钢、玻璃纤维强化塑料等。纤维强化塑料为产业界最常使用的复合材料，强化塑料材料的纤维主要有三类：玻璃纤维、酰胺纤维及碳纤维，其中玻璃纤维是使用最广泛，也是最经济的的强化纤维。整理课件10-1-5电子材料（Electronicmaterial）用于电子方面特别视微的材料称为电子材料，如硅（Si）、镓（Ga）、锗（Ge）等，电子材料是所有电子组件的基础，新的技术发展出新的组件，如半导体组件、集成电路等。半导体（semiconductor）是导电性介于金属与绝缘体间的材料，如硅（Si）、锗（Ge）等，此族中添加IIIA族元素，如硼（B）、镓（Ga）等，而成为p-型半导体；加入VA族元素，如氮（N）、砷（As）等，则形成n-型半导体。整理课件10-2科技与奈米材料物质小到奈米（1nm=10-9m）尺寸时会产生新特性，包括量子效应及表面效应，奈米材料（nanomaterials）将是产业升级的催化剂与触媒。奈米是衡量尺寸大小的单位，奈米与食物没有任何关联，一奈米是一公尺的十亿分之一，到底有多小呢?人发的直径大约是八万奈米。以一公尺高的小女孩为标准，逐步缩小尺度，在奈米尺度下，可以观察到这个小女孩的DNA分子结构。整理课件奈米级结构材料，一般指其晶体大小介于1~100nm范围之间。主要特性有：

(一)由于其尺寸接近光波长，加上其具有大表面积的特 殊效应，因此所表现出的特性往往不同于块材材料 (bulkmaterial)之性质，如磁性、光学、热传、扩散 及机械性等。（二）奈米材料的晶相或非晶质排列结构与一般同材 料在块材中之结构不同。（三）可使原本无法混合的金属或聚合物混合而成合金。整理课件10-2-1自然界中的奈米结构产物蜜蜂身体内存在一种磁性的奈米粒子，有罗盘的功能，成为蜜蜂飞行时的卫星导航系统，莲花出污泥而不染，中国古代中的铸剑大师，已创造了奈米晶体的结构，凡铁铸成宝剑不锈蚀，又能削剑如泥。整理课件10-2-2奈米应用商品化广泛用于触媒化学、生物科技、医疗、分子工学、粉体材料、环境、能源等，「鲨鱼肤」具有精确定义表面粗糙的塑料薄膜，涂在飞机表面上，即可减少流体阻力，使燃料消耗降低大约3%；莲花出淤泥而不染的效应，也将使擦洗窗户和墙壁成为历史，因为雨水可以冲刷污垢，德国有名的清洁公司Henkel和DegussaHuls就推出室外防尘粉刷漆料，雨水一来就清洁溜溜。整理课件汽车窗户玻璃的化学材料「聚碳酸酯」，高耐刮强度，而这项新技术就是以化学奈米为基础开发出来的。奈米科技在医药及生技上应用也将起革命性的变化。发展微机电的送药胶囊，将药剂微小化放进人体中，可控制释药量与时间，对长期且固定服药的患者来说，可达到按时服药，又不易忘记的好处；传感器则可利用微机电方式将内视镜微小化，且制做成胶囊型，直接服用即可达到侦测体内血管、肠胃的效果，可能侦测到大脑、心脏等更细微的器官组织。整理课件10-3材料科学与生活食、衣、住、行、育、乐、医疗、通讯，乃至太空发展及国防等，无一不与材料相关联。4-3-1材料应用在日常生活如防火、防震建材使我们住的安全有保障；尼龙、达特龙及人造纤维的发明使得衣服的质料更舒适更保暖；复合材料中的碳纤维应用在脚踏车的制造，使得脚踏车工业再度受重视；磁浮列车的开发将可大大缩短南北的距离；光盘CD、影碟LD等声光产品的问世，使得人类的生活获得调适。由于半导体材料的发展，使得电子材料体积大大地缩小，由真空管时代经晶体管到现在的集成电路（IC化），功能广度也增加不少，轻薄短小、速度快、易携带等，是现在的特色。整理课件激光技术应用在医学上进行开刀手术、切割；人工关节、假牙等生医材料；传感器应用医学上的侦检，提高了医疗效果。10-3-