材料与奈米科技的发展与人物课件.ppt
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- 材料 科技 发展 人物 课件
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1、第十三章材料與奈米科技的發展與人物 材料科技 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)材料的分類 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 半導體材料 金屬材料 鋼鐵 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 不銹鋼含有鉻、鎳等元素,可在表面產生一層保護膜以避免氧化生銹 3
2、04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,價格也比較貴,應用於對耐腐蝕性要求較高的環境 輕金屬 鋁合金:其中鋁合金具有質輕及耐蝕之優點而廣受使用,因為鋁合金外表會形成氧化鋁薄層以防止內部材料進一步氧化。常用於鋁門窗、飲料罐等。鋁銅合金及鋁鋅鎂相當堅韌,可作為飛機材料。鋁亦可用作電線,在一般的IC或發光二極體(LED)上,其電線有些會用鋁矽合金線 鋁也可用在三五族光電半導體上,如砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)等,只要改變鋁與鎵之濃度比,可做出不同波長的雷射二極體(LD)或發光二極體 鎂合金具有相當低
3、之比重,現今之行動電話及筆記型電腦在輕薄短小及防電磁波外洩的要求下,其外殼材料已經逐漸使用鎂合金 鈦合金純鈦的比重較鎂合金或鋁合金高。然而相較於鋼鐵而言,鈦合金具有質輕,強度較鋼硬,熔點高(1672),且不畏強酸、強鹼腐蝕之優點,一般應用於眼鏡架、高爾夫球具及航空器上。在飛機上,部分須要耐高溫的零件就必須以鈦合金來製作有色金屬 常見的有色金屬為銅及金,。銅(純銅熔點為1083)及銅合金之使用已有超過千年的歷史 純銅(又稱紅銅)的導電性僅次於純銀,而銀很貴,所以電線、電纜幾乎全為純銅的天下;另外,由於銅的優良導熱性,使其在散熱器及熱交換器上亦居有主要之地位 黃銅(銅鋅合金)青銅(銅錫合金)等 青
4、銅器貴重金屬金、銀、白金及其合金黃金(熔點1064)主要用在飾品及貨幣。由於純金的延展性非常的好,31克的金可展成300平方英尺,或是拉成毛髮般的細線純金定位為24K,為了增加強度、硬度及耐磨性,金與銅元素可依照不同比例製作成14K至18K的K金,作為裝飾、項鍊及戒指等之用黃金的比重高達19.3,而純銅的比重為8.93,所以配成K金後體積會變大,阿基米德即是利用此現象而判定花圈並非純金製成 由於金的導電率高且不會產生氧化作用,所以目前之光電半導體工業的連接線均以純金線為主,1998年的使用量即高達數公噸之多 銀(熔點962)的比重為10.49,主要用於貨幣及食物容器。銀為最佳之導電體,但由於價
5、格昂貴而無法做為一般導電材料。銀必須添加其它元素以增加強度及硬度,主要的合金元素為銅,法定純銀之成分為92.5%的銀及7.5%的銅。銀的反射率高,所以被用於玻璃鍍銀作成鏡子;底片上的感光粒子主要為溴化銀(AgBr);此外,銀可作成銀錫汞或銀錫銅汞合金(俗稱汞齊),廣泛應用於鑲牙材料 白金(熔點1769)的比重為21.43,其延性及展性均非常的好,可加工成錢幣、珠寶裝飾品,由於具有良好之耐蝕性及抗氧化性,在實驗室中常被用於高溫熱電偶、電化學的電極、坩堝、電路接點等。又具有獨特的觸媒作用而廣泛應用於石化工業;若利用白金作汽車觸媒轉換器,則可減少廢棄之排放量 低熔點金屬鉛、錫、鋅及汞 鉛(熔點327
6、)的比重為11.36,廣用於子彈頭及釣魚、網魚之重錘等。而鉛合金之應用中,則以鉛銻合金應用於鉛酸電池,鉛錫合金應用於焊接之銲錫,鉛鋅鎘合金應用於保險絲等之易熔合金,鉛銻錫合金應用於印刷用鉛版之活字合金 錫(熔點232)的比重為5.8(灰錫)或7.3(白錫),灰錫與白錫之轉換溫度為13.2,高於此溫度為白錫。錫廣用於鍍錫鐵板,亦即是馬口鐵,耐蝕性良好,作為一般食品罐頭,其有機酸錫具有抑制腐蝕的作用;錫又可與其他低熔點金屬配成易熔合金或軟焊材料等 鋅(熔點420)的產量僅次於鋁及銅,鋅的比重為7.13,鋅合金廣用於壓鑄模具 汞的比重為13.6,熔點為38.8,所以,我們一般看到的都是液態的汞,最常
7、見的就是水銀溫度計及牙科用的汞齊 鎳(熔點1455)與鐵一樣具有磁性,比重為8.91,常用於貨幣中之添加元素、不銹鋼的合金元素,或電池及觸媒等材料 鎳基超合金是耐熱金屬,用於超音速戰鬥機之推進器中的渦輪葉片 形狀記憶合金 形狀記憶合金:在某個溫度以下,可製成任意形狀,而一旦恢復原來的溫度,形狀記憶效應會復原而變成原來形狀 記憶合金可用來作自動調節電流之開關,當電流過大時,溫度會升高,此時記憶合金會恢復原狀,使得開關跳開,而當電流變小,溫度降低,記憶合金會再度變形,使得開關重新接通。其他還可用來作可偵測溫度之機器手臂、胸罩中的記憶鋼圈等等 最早的記憶合金,是用金(52.5%)與鎘(47.5%)作
8、成,後來又有鎳鈦合金、銅鋅鋁合金等數十種產品出現。鎳鈦形狀記憶合金則應用於牙齒矯正線 鎢具有金屬中最高的熔點(3410),可用作燈絲,添加於鐵中可製作成高速鋼、鑽頭鋼等,因其耐磨損且抗腐蝕性佳,且不怕摩擦產生高熱而變質或變形 愛迪生使用鎢絲製作了燈泡,開啟了人類光明的時代 陶瓷材料 金屬或非金屬的氧化物、氮化物或碳化物即為陶瓷材料,一般具有硬、脆、耐高溫、絕緣、安定及耐壓縮的特性 歷史上的陶器時代即已使用氧化物陶瓷 陶瓷材料也是最進步的材料,例如太空梭外表之隔熱磚。除了傳統之碗、盤、花瓶等陶瓷外,新式之陶瓷材料可用作假牙,或用在光學、電子元件上。例如聲光調製器,可用在雷射唱盤之光學讀寫頭上,用
9、來控制雷射光輸出之方向玻璃材料 玻璃的主要成分為二氧化矽加上其他物質,而石英則是純的二氧化矽;水晶玻璃則是含鉛量較高的玻璃,具有較高的折射率。玻璃是一種原子排列狀態類似液體的固體(可視為一種過冷液體),內部原子排列並無一定的規則,而是混亂排列。而玻璃除了可作杯子、窗戶之外,玻璃纖維可用來製造光纖,供通訊之用 超導材料 1911年,歐尼斯發現當汞的溫度降到269時,電阻會忽然間消失掉,這個超導現象同樣發生於錫、鉛及其他金屬 1957年科學家約翰巴登(Bardeen)、寇柏(Cooper)及休里夫(Schrieffer)才成功的以量子電子動力學解釋超導性質 近年來,高溫超導也成為熱門的研究項目,而
10、這些超導材料可以應用於醫學、核能工程以及磁浮列車等科技 超導材料具有零電阻及磁浮等兩項特點。零電阻可減少電流傳遞之損失;而磁浮現象是因為超導材料在其臨界溫度以下,磁力線無法穿透,只能從其旁邊經過,因而將超導體托起而使其懸浮 將超導材料製作成傳輸電力的電線,則可省下很多在傳遞過程中因為電阻而損失的電力 將超導材料與磁鐵搭配應用於高速鐵路,則可使得列車浮在軌道上,不必使用車輪而無摩擦損失,列車將因此更平穩及更快速聚合體或高分子材料 聚合體就是很多單體分子聚合在一起的意思,也稱之為高分子材料,俗稱塑膠,是屬於有機材料,主要來源是石化工業的產物加以合成,可分為一般塑膠及工程塑膠兩大類型 聚合體的製成多
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