机械应用之特殊材料.ppt

= 第12章 機械應用之特殊材料 =,12-1 陶瓷材料 12-2 高分子材料 12-3 複合材料 12-4 電子材料 12-5 磁性材料 12-6 光電材料 12-7 其他材料,12-1 陶瓷材料,傳統上，陶瓷材料大多是以各種黏土為主要原料，經過成型和高溫處理後，變成有用的多晶材料。從總體上看，陶瓷材料是硬而脆的高熔點材料，具有低的導電性和導熱性、良好的化學穩定性和熱穩定性，以及較高的壓縮強度等。所以，陶瓷材料具有優異的耐磨性、耐熱性與良好的耐蝕性，但脆性限制了陶瓷材料應用的領域，此為未來的研究重點。,12-1 陶瓷材料,陶瓷材料的基本特性與金屬材料的特性有很大的不同。這些特性上的差異起源於兩種材料化學鍵的不同。金屬材料的化學鍵大都是金屬鍵，金屬鍵是沒有方向性的，因此金屬材料具有良好的塑性變形性能。而陶瓷的化學鍵主要是離子鍵和共價鍵。這種化學鍵有很強的方向性和很高的結合能。,12-1 陶瓷材料,所以，陶瓷材料具有高硬度、高熔點、高化學穩定性等特點。在日常生活中，常用於製造電機與電子產品；在工業上，目前的陶瓷汽缸即是很好的應用，如圖12-1 所示。然而此種化學鍵使得陶瓷很難產生塑性變形，脆性大且裂紋敏感性強。因此，陶瓷的韌化已成為目前研究領域的核心之一。,12-1 陶瓷材料,12-1 陶瓷材料,基本上，陶瓷材料可分為結晶陶瓷與非晶質陶瓷（即玻璃）兩種，另外近來發展出一種介於兩者之間的玻璃陶瓷，即是原來是非晶質狀態，加以適當控制使其產生結晶陶瓷的特性。,12-1 陶瓷材料,結晶陶瓷依照所含成分，可分為矽酸鹽陶瓷、非矽酸鹽氧化物陶瓷及非氧化物陶瓷等三類。,矽酸鹽陶瓷以二氧化矽（SiO2）為主要原料。二氧化矽的結晶在室溫下稱之為-石英（-quartz）；在一大氣壓力下及573 時轉變成-石英（-quartz）；在870時又轉變成-鱗石英（-tridymite）；在1470時再變成-白矽石（-cristobalite）；最後，在1713 時熔化。,12-1 陶瓷材料,如表12-1所示，列出常用的矽酸鹽類陶瓷之成分。耐火材料需在高溫下承受負荷，通常以耐火泥細粉黏結氧化物顆粒，一般耐火磚含有2025的氣孔，以增進絕熱性質。,12-1 陶瓷材料,如表12-2 所示，為常見的非矽酸鹽氧化物陶瓷。表中列出屬於較尖端的精密陶瓷（Fine ceramics），其雜質含量約在1wt%以下。主要用於電子工業上。 ZrO2是陶瓷中作為構造用材料的最佳材料，具有變態韌化的特點，可取代一些金屬材料的用途。,12-1 陶瓷材料,12-1 陶瓷材料,如表12-3 所示，列出常用的非氧化物陶瓷材料。其中，碳化矽可做為爐子的加熱元件及當作耐火材料；碳化物、氮化物、硼化物亦均可作為耐火材料。 唯大部分的碳化物，例如：TiC、ZrC等都不能抵抗氧化，所以，只能用於還原氣氛下的高溫環境。SiC 則不會有這項缺點，在1500 以下，因為SiC 高溫氧化時會產生一層SiO2薄層保護SiC 不被進一步氧化。另外，氮化物及硼化物的熔點特別高，對氧化較不敏感。,12-1 陶瓷材料,12-1 陶瓷材料,最著名的非結晶陶瓷材料就是矽酸玻璃，它是一種固相材料，冷卻後會硬化而具有剛性，但並未產生結晶。 二氧化矽的結晶原子構造相當複雜，若以較快速度冷卻時，就有可能使其來不及結晶而得到非結晶材料。此種非結晶氧化矽稱為玻化矽氧（Vitreous silica）或熔矽氧（Fused silica）、熔石英（Fused quartz）等。如圖12-2 所示，為比較二氧化矽之結晶與非結晶結構中，平面上原子的排列情形。,12-1 陶瓷材料,12-1 陶瓷材料,從圖12-2 中可知，非結晶結構中只有短程規律（Short-range ordering）即每一Si 4+與三個O2- 連接，每一O2- 與兩個Si 4+連接，並無長程規律。 熔矽氧具有極高的熔點，軟化溫度為1667且膨脹係數很小（5.5x10-7/），所以，耐高溫且耐熱衝擊（Thermal shock），可作為實驗設備材料，唯成型不易。為了適用於各種用途，通常會在二氧化矽中加入其他元素而形成所謂的矽酸玻璃（Silicate glasses）。,12-1 陶瓷材料,玻璃陶瓷是將材料製成玻璃狀態，再經低溫熱處理，使其產生大量的結晶核粒；再於稍高溫處讓結晶核成長，最後，得到90%的結晶。其結晶晶粒均勻細緻約0.11m大小，殘留的玻璃相填充於晶粒間且沒有孔隙。 一般玻璃在熔融狀態產生結晶時，容易在器壁上產生少許的孕核點而長成相當大的晶體結構，最後的微結構是粗大且不均勻的。,12-1 陶瓷材料,而玻璃陶瓷不同於此，它是加入幾個百分比的孕核劑，如TiO2、P2O5等，此種微細的孕核劑粒子密度可達1012個/mm3，可達到大量孕核之目的，得到均勻細緻的晶粒組織。 玻璃陶瓷算是最複雜的陶瓷材料，它具有非晶質與結晶陶瓷的本質。,12-1 陶瓷材料,玻璃陶瓷具有比傳統陶瓷更佳的機械強度及更耐熱的衝擊能力，高強度是由於其內部甚少有壓力集中的孔隙及微細均勻的細晶微結構，而耐熱衝擊則在於其膨脹係數相當低。 如表12-4 所示，列出組成玻璃氧化物的熱膨脹係數。,12-1 陶瓷材料,12-2 高分子材料,高分子是指將分子量輕且低的液態有機物，經過聚合反應形成高分子量的固體。高分子材料又稱為聚合物（Polymers），包括各種不同的材料，例如：塑膠、橡膠及膠黏物等皆是。 高分子材料為巨型的有機物，分子量從10,000 到大於1,000,000 g/mole不等。高分子材料是由許多小分子集合成大分子，大分子內部之小分子是以共價鍵為主要鍵結進行連接，而大分子與大分子間，則是以凡德瓦爾力之類的次鍵結加以連接。高分子材料中的大分子主要是以碳為主，為一種有機材料，其主要來源為將石油化學工業中的副產物加以合成。,12-2 高分子材料,高分子材料很容易因外力作用而變形，常常被做成塊狀、板狀、薄膜狀、管狀及纖維狀等的產品，也可藉由填充物的加入而改變高分子材料的性質（衝擊強度、疲勞性能、強硬度及耐熱耐蝕性等）。 常見的產品，例如：文具、玩具、家電器具、塗料、汽車外殼、輪胎，用途非常廣泛。,12-2 高分子材料,高分子材料是由很多的單體分子聚集在一起，聚化反應是利用適當的化學反應將單體分子結合形成長鏈狀分子，以變成聚合物或高分子材料。 聚化反應可分為聚合反應及縮合反應兩種。,12-2 高分子材料,圖12-3 為聚合反應的化學作用過程及其結果。由圖中可知，當單體的分子接受適當的溫度、壓力及觸媒的作用時，具有未飽和鏈的單體們會互相結合而形成長鏈分子。 此種由小分子形成大分子的現象稱為聚合作用（Polymerization），單體產生聚合作用後的生成物即稱為聚合物，例如乙烯起聚合作用即生成聚乙烯（PE），氯乙烯則生成聚氯乙烯（PVC）。,12-2 高分子材料,12-2 高分子材料,聚合作用又稱為鏈狀生長（Chain growth），其反應的動力來自單體中的碳與碳之間的一個雙鏈變成兩個單鏈且彼此連接在一起。 經過聚合反應後，主鏈分子變大，分子量也相對變大，硬度與強度皆相對提高。例如：乙烯（C2H2）是一種氣體，乙烯分子被稱為單體。 經聚合反應後，形成固體的烷類或烯類（CnH2n + 2）。若加入氯分子時，將得到較大的凡德瓦爾力鍵或氫鍵，加入硫則可得到共價鍵，此二反應將使得材料的硬度更為提高。,12-2 高分子材料,縮合反應又稱為逐步成長（Step-growth），其原理係當兩反應物混合後，其生成物都具有二個作用基，可繼續將反應物加入，且其生成物亦可繼續加入反應。 最後，終將形成巨大分子，如圖12-4 所示，將對苯二甲酸雙甲酯與乙二醇混合，則乙二醇的OH 與對苯酸脂的CH3組成甲醇，其餘的變成了對苯二甲酸乙二酯的較大分子。,12-2 高分子材料,12-2 高分子材料,經過縮合反應後，將生成聚合物及副產品。由於對苯二甲酸雙甲酯與乙二醇及其生成物都具有二個作用基，所以，反應物可以繼續加入，或者生成物也可繼續加入反應，而形成一個巨大分子，稱之為達克龍（Dacron）。 基本上，縮合反應的速度比聚合反應慢，而且不會有終結階段，反應時間再久一點時，則其分子就愈大。縮合反應的副產品通常為一些簡單的小分子，如H2O2、HCl 等。,12-2 高分子材料,熱塑性高分子材料（Thermoplastic polymers）在加熱時，因大分子只靠次鍵結（凡得瓦力鍵結）來結合，所以分子彼此間容易互相滑動而變形。 與金屬相比，高分子材料的耐熱溫度約為100左右，當溫度超過100後，即有很明顯的塑性流動現象，這是金屬鍵與次鍵結強度差異的緣故。,12-2 高分子材料,熱塑性的高分子材料一經加熱後，即可重新軟化再成型，其重要的類別，例如：纖維素（Cellulose）、壓克力（Acrylic）、氯乙烯（Vinyl ethylene）、聚乙烯（Polyethylene）、聚丙烯（Polypropylene）、聚苯乙烯（Styrene）、聚醯胺（Polyamide）或尼龍（Nylon）及縮醛（Acetal）等，如圖12-5 所示，為壓克力與聚丙烯的成品。,12-2 高分子材料,12-2 高分子材料,12-2 高分子材料,熱固性（Thermosetting）高分子材料加熱時，不但不會軟化反而變硬且剛性更強。其原因為熱固性高分子材料是一種立體網狀的分子結構，高溫時將促使網狀結構更加緊密，冷卻時網狀結構依然存在，所以，剛性仍大。 如表12-5 所示，為熱固性與熱塑性高分子材料之結構示意圖。熱塑性高分子材料是結合小分子在一起而產生長鏈型聚合物；熱固性高分子間是以交聯的方式形成三維網狀結構的長鏈型分子。,12-2 高分子材料,12-2 高分子材料,由於此類材料的網狀結構具有較大的強度，所以常用來製造機械零件，常可取代金屬，使用於一些受力較小的地方。常見的熱固性高分子材料，例如：尿素樹脂（Urea- resin）、三聚氰胺（Melamine）、環氧樹脂、酚類塑膠（Phenolics）、聚酯（Polyesters）、矽酯類塑膠（Silicones）及強化塑膠（Reinforcing plastics）等，如圖12-6 所示，為環氧樹脂與強化塑膠的成品例。,12-2 高分子材料,12-2 高分子材料,彈性（橡膠）高分子材料是指一些天然或人造的線性聚合物。當受力時會產生大量的彈性變形；力量去除後，又完全恢復到原來的形狀。 這類的彈性體，由於其長鏈的排列很有規則，使得大分子形成捲曲狀態。在理想狀態下受力時，捲曲大分子鏈被拉直而使得彈性體伸展變形，此時，分子間可排列成較規則狀態，即能量較低；力量放開時，分子鏈又恢復較高能量的捲曲狀態。,12-2 高分子材料,日常生活所使用的器具中，有愈來愈多的橡膠製品產生，這些製品所用的橡膠可分為天然橡膠及人造橡膠二大類。,天然橡膠是由熱帶地方所產橡樹的乳液製成。從橡樹採取的乳液，添加醋酸或蟻酸使其凝固者，稱為生橡膠（Raw rubber），生橡膠的用途很少，一般都經硫化處理後使用之。,12-2 高分子材料,所謂硫化處理（Vulcanization）乃是在生橡膠中加入硫磺等混合均勻後壓入模內，在100150加熱而成形之操作。如果橡膠內的含硫量在15%以下，可以獲得柔軟而富彈性的製品，稱為軟橡膠，常見的製品有汽車內外胎、橡膠管、雨衣、襯墊及橡皮擦等。若橡膠內的含硫量超過30%以上並維持長時間加熱，可得到延性甚低的製品，稱為硬橡膠（Ebonite）。硬橡膠能耐酸鹼侵蝕，電絕緣性及加工性優良，製品有梳子、牙科材料、鋼筆軸、電絕緣零件及耐化學性膠管等。 天然橡膠在65左右即失去彈性，且耐油性不良，同時，加硫橡膠於使用一段時間後會發生硬化現象。,12-2 高分子材料,人造橡膠即為合成橡膠，與塑膠的製法相似，是有機高分子聚合物，主要的合成橡膠有丁二烯橡膠、壓克力橡膠、乙烯橡膠等。無論是天然或人造橡膠常加入適量的碳煙粉（Carbon black）作為強化填充劑。 由各種不同的單體所聚合而成的合成橡膠是石化原料，用二烯烴和烯烴為單體聚合而成的高分子，其性能不如天然橡膠全面，但具有高彈性、絕緣性、氣密性、耐油、耐高溫或低溫等性能。,12-2 高分子材料,常見的製品有橡膠管、墊圈、皮帶、橡皮緩衝器、印刷機滾筒、氣體導管及電絕緣體等，其中輪胎是以天然橡膠及合成橡膠為原料，取天然橡膠的彈性與抓地力等優點，再取合成橡膠的耐用特性而成，如圖12-7 所示。,12-3 複合材料,複合材料是由兩種或兩種以上不同原料合成的獨特物料，複合材料的品質比原來的兩種原料更優秀，例如：更堅韌、更牢固、更耐用等。 現代的科技已可依需求製造出非磁性、抗腐蝕性、不同部位有不同強度，以及不會被雷達探測到的複合材料。,12-3 複合材料,雖然有很多人工合成的物料（例如：合金）都是由兩種或兩種以上原料合成的，但由於它們是由原料的分子經混合及被重新排列形成的新結構（混合後兩種原料的分子無法再被分開），因此不能被歸類為複合材料。 複合材料中各原料的分子並無被混合或重新排列，通常原料之間形成不同的界面，我們能以肉眼分辨出複合材料內的各種原料。,12-3 複合材料,最常見的複合材料是纖維複合物。它們是由埋藏在基材的纖維組成，基材中的纖維能增加基材的強度，如圖12-8 所示。,12-3 複合材料,複合材料所使用的強化材料主要有粉體、粒子、纖維、薄片、帶子、織布等。由於纖維的尺寸較小且缺陷較少，所以，相對的強度比較強。 再者，纖維形狀細長容易撓曲，而且大部分纖維都具有很高的強度及較低的比重， 所以，纖維是最常用來作為複合材料的強化材。,12-3 複合材料,粒子形狀的強化材，小者如微米以下，大者如砂石都是屬於此一領域。 此種強化材料所構成的材料稱為粒子複合材。,12-3 複合材料,玻璃纖維是由組成玻璃的物質經過高溫熔化與冷卻後拉伸成型而成，其粗細僅約人類頭髮的十分之一左右。 由於其本身為玻璃，具有耐高溫不腐蝕、不燃燒等特性。 且其軟化點約在840左右，具有高強度、尺寸安定、低熱膨脹係數及疏水性等，故被大量的使用於複合材料上。,12-3 複合材料,實際上，在工業產品中，用於製造碳纖維者為瀝青與聚丙烯，主要原因是所得產品的性能最好，可用於航空工業、運動器材、土木建築及電池等方面，如圖12-9 所示，用途極為廣泛。,12-3 複合材料,12-3 複合材料,氧化鋁纖維是以陶瓷材料（Al2O3）為主要原料所製成的無機纖維。 氧化鋁的熔點為2050，先製成紡絲液後，再紡成絲，此種絲在空氣中以1000溫度加熱製成。氧化鋁纖維具有耐熱性高、化學安定性佳、高彈性模數、耐衝擊性佳、耐磨耗性好、為電的絕緣體、低磁化率、無色透光性等特性，故可應用於各種複合材料的製造。例如：吸音棉（如圖 12-10 所示）、耐火纖維紙品、耐火纖板、電阻絲組件等。,12-3 複合材料,12-3 複合材料,金屬纖維具有剛性高、耐熱性佳、導電性佳、機械強度大等特性。 屬於此種纖維者計有銅纖維、不鏽鋼纖維、鎢纖維、鋇纖維、鉬纖維等。 金屬纖維廣用於各種產業中，如耐熱性的消防衣服（如圖12-11 所示）、防導電纖維及超耐熱合金強化用纖維等。,12-3 複合材料,基材是複合材料中的主要組成，主要的基材種類有橡膠、塑膠、金屬、陶瓷、混凝土、瀝青，用來生產複合材料的基材多是聚合物，這是因為它們質輕、生產成本低、易於處理及塑造。 由於熱固性聚合物（例如環氧樹脂）的流動性低，故很適合用作基材的原料。有時我們會使用金屬作為基材，例如鋁。由於鋁比同一體積的其他金屬輕，因此最常被用作基材。,12-3 複合材料,人工製成的複合材料其實是以天然物料為模仿對象，例如：木材。木材是由木質素與纖維素組合而成的。這種複合材料稱為天然複合物。 人工生產的複合材料可分為聚合物基複合材料、金屬基複合材料及陶瓷基複合材料等。它們分別是以聚合物、金屬和陶瓷為基材，再加入強化材而成。,12-3 複合材料,聚合物基複合材料（Polymer Matrix Composites；PMCs）又名纖維強化聚合材料，是最常見的複合材料。它的結構是以一些聚合樹脂為基材，加入不同的纖維，例如：碳和玻璃等，加以強化。 玻璃纖維是最先成功研製的現代複合材料，它是一種聚合物基複合材料，廣泛應用於船身支架、儲存桶、喉管及汽車配件等。,12-3 複合材料,金屬基複合材料（Metal Matrix Composites；MMCs）以金屬（例如：鋁）作為基材，並以碳化矽作為強化纖維。 它們在汽車工業上的應用率愈來愈高，例如：密封墊片、油箱內襯等。,12-3 複合材料,陶瓷基複合材料（Ceramic Matrix Composites；CMCs）以陶瓷作為基材，並以一些由碳化物或氮化硼製成的鬚狀物作為強化纖維。 它們被應用於高溫的作業環境中，例如：鍋爐燃料管、熱交換器管等。,12-3 複合材料,建築房子時，技術人員會把鋼筋折成固定形狀後，再依序把它們組合起來。 之後，水泥攪拌車把混凝土灌注入組合的鋼筋空間內，即完成局部的建築工程。在這例子中，水泥是基材，碎沙石與鋼筋是強化材，鋼筋提供抗拉強度，混凝土提供抗壓強度，是典型的複合材料製造例子，如圖12-12 所示。,12-3 複合材料,12-3 複合材料,複合材料中，把基材與強化材結合起來的材料稱為結合材或黏結劑。黏結劑是一種重要的高分子材料。人類在很久以前就懂得使用澱粉、橡膠等天然的高分子材料作為黏結劑。 現代的黏結劑依其使用方式可分為熱固性如環氧樹脂；熱塑性如尼龍、聚乙烯等；加壓型如天然橡膠；水溶型如澱粉。,12-3 複合材料,環氧樹脂為熱固性樹脂，當主劑與硬化劑以一定比例適當混合並聚合硬化後，形成了三度空間的網狀結構，給予產品特殊的物理性質、機械性質及化學性質等。 如圖12-13 所示，為環氧樹脂的黏度與溫度的關係。由圖中可知，當溫度高至75左右時，環氧樹脂的黏度將呈現漸趨穩定的現象，大約為75CPS。,12-3 複合材料,環氧樹脂的用途很廣，若作為黏結劑則可用於金屬、木材、膠合玻璃、陶瓷、塑膠等的強力接著；亦可用於修補、填縫等工作，是最主要的黏結劑。,12-3 複合材料,尼龍是結晶性聚合物，醯胺基團之間存在牢固的氫鍵，因而具有良好的力學性能。 與金屬材料相比，雖然剛性遜於金屬，但比抗拉強度則是高於金屬，比抗壓強度與金屬相近，因此可作為代替金屬的材料。 尼龍具有高抗拉強度、耐衝擊能力極佳、吸水性高、耐藥品性佳等特點，極適合作為基材與強化材之結合材。,12-3 複合材料,天然橡膠的分子量約為300,000，為質軟且彈性不大的材料，加硫（約8%）後，較富彈性稱為加硫橡膠。其主要用途為製造汽車內外胎、雨衣雨鞋、地磚、橡皮管及黏結劑等。,12-3 複合材料,用於複合材料的橡膠可分為兩種，第一是加硫橡膠，第二是不加硫橡膠。 不加硫橡膠在使用上常加入熱塑性樹脂以增加複合材料結合後的耐衝擊性；而加硫橡膠可配合其他添加劑，提高複合材料結合後的強硬度，防止老化、軟化度、黏著能力等性能。,12-4 電子材料,自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。 在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的共價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。 因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。如圖12-4 所示，為半導體的應用。,12-4 電子材料,12-4 電子材料,目前構成半導體材料的主要元素是以週期表上第四族的單一元素如： 碳、矽、鍺等所形成的材料，未摻入其他雜質者，稱為本質半導體，如表12-6 所示。,12-4 電子材料,12-4 電子材料,電子在本質半導體內的能階狀況，可用圖12-15 來加以說明。在高能量的傳導帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一傳導帶內。 最低能區（Ev以下）稱為價帶，被共價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。傳導帶和價帶之間是一沒有能階存在的禁止能帶（或稱能隙Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。,12-4 電子材料,在絕對溫度為零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的共價鍵完整無損，所有電子都被共價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子佔滿，而傳導帶則完全空著。 價電子欲脫離共價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg，提升自己的能量進入傳導帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。,12-4 電子材料,12-4 電子材料,以矽半導體為例，能隙Eg為1.1eV，其中1 電子伏（eV）的定義為當一個電子被1 伏特的電位差加速時所得到的動能。在室溫下，當熱能打斷共價鍵而釋放出電子的同時，必然留下一帶正電荷的電洞在價帶上。溫度越高，被熱能釋放出來的電子和電洞的數量也越多。 因此，本質半導體的導電性遂因溫度的升高而增大。應用在科技產業上的半導體其能隙 4eV，如圖12-16所示。由圖所見，能隙會隨著溫度的升高而減少。,12-4 電子材料,12-4 電子材料,當半導體材料摻入雜質後，稱之為異質半導體。此類半導體可分為n 型與p 型兩種型式。,我們再以矽半導體為例，來探討雜質的摻入對於半導體導電性的影響。矽是一種四價元素。如果我們將五價元素，如最常用的磷（P）或砷（As）等摻入矽晶體內，使其取代某些矽原子，則該五價元素會多出一個電子，此電子在矽晶結構內受到的束縛力非常薄弱，在室溫時即已絕大部分游離而成自由電子。,12-4 電子材料,這類五價元素摻雜在矽晶內因為可提供較多的自由電子，所以稱為施體（Donor），其能階ED非常靠近傳導帶，如圖12-17 所示。 在導體中，自由電子佔大多數，故稱為多數載子，當電子受激發後，自Donor state 跳到傳導帶，並在Donor state 留下電洞，這種半導體稱為n 型半導體。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主 要載子。,12-4 電子材料,12-4 電子材料,同理，我們如將三價元素，如硼（B）等摻入四價的矽晶體內，則在其取代某些矽原子的位置後，因為少了一個價電子，所以會從別處接受一個額外電子，此電子受激發後，自價帶跳到受體而形成四個電子圍繞在硼原子外的共價鍵，並在價帶留下電洞。 這類三價元素，稱為受體（Accepter），如圖12-18 所示，接受一個額外電子後的受體離子帶負電。這種半導體稱為p型半導體，其費米能階EA比較靠近價帶。p 型半導體內的電洞數量遠比電子為多，是電流傳導的主要載子。,12-4 電子材料,12-5 磁性材料,地球本身就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地球的南極附近，而S 極則在地球的北極附近。如果把一塊長條狀的磁鐵用細線從中間懸掛起來，讓它自由轉動，那麼，一段時間以後，磁鐵的N極就會和地球的S 極互相吸引，磁鐵的S極和地球的N極互相吸引。所以，磁鐵的N極方向即為地球的S極。 何謂磁性？簡單地說，磁性是物質放在不均勻的磁場中受到磁力作用所產生的特性。在相同的不均勻磁場中，依單位質量物質所受到的磁力方向與強度，可確定物質磁性的強弱。,12-5 磁性材料,一般來說，物質的磁性可以分為弱磁性與強磁性，再依據磁性的不同特點，弱磁性又可分為反磁性、順磁性與反鐵磁性等，而強磁性又可分為鐵磁性與亞鐵磁性。這些都是物質的原子中電子產生的磁性。 然而，原子中原子核亦具有磁性稱為核磁性，惟核磁性約為電子磁性的千分之一或更低，故一般講物質的磁性主要是指電子磁性。原子核的磁性很低是由於原子核的質量 遠高於電子質量之故。原子核磁性有其重要的應用，例如：醫學上所使用的核磁共振成像原理便是利用氫原子核的磁性所達成的。,12-5 磁性材料,在元素週期表的元素中，Fe、Co、Ni 及稀土族Gd 元素皆屬於鐵磁性材料，在室溫時都具有鐵磁性現象。 Fe、Co、Ni 這三個元素和稀土族元素互相結合，或與其他不具鐵磁性表現的元素互相結合，就可以做成各種不同特性的磁性材料。,12-5 磁性材料,鐵鎳合金具有很大的透磁率，很容易形成軟磁體。例如：電腦磁碟機上的讀寫頭即為此類合金的應用。 當磁頭下的磁碟旋轉時，一股電流使磁頭產生磁場。磁頭上的磁場會依序磁化部分的磁碟，如圖12-19 所示。磁頭上的磁場方向會決定嵌於磁碟上的磁性顆粒的方向，因而得以儲存資訊。儲存後的資訊可藉由磁頭下再次旋轉磁碟來取回。,12-5 磁性材料,12-5 磁性材料,矽鐵係在鐵中加入35%矽所成的合金，經適當的製程後，在電氣應用上極為有用，如馬達及發電機。,複合材料可用來降低渦電流的損失。例如以矽鐵薄片與介電材料以板層互疊的方式製成複合磁體，互疊至所需的厚度。此種層狀組織可以增加阻抗，在中低頻率下，可以得到很好的效率。,12-5 磁性材料,在凝固期間以很快的冷速產生的非晶質金屬玻璃，例如：鐵硼合金即屬之。金屬玻璃是以薄帶的方式生產，然後層層堆積成較大的磁體。 這些磁體具有如軟磁體般的透磁率。全無晶界的現象使得磁區非常容易移動，因此在高電阻下，其渦電流損失也可達到極小。,12-5 磁性材料,錄音磁帶或錄影磁帶，如圖12-20 所示，乃是利用蒸汽沉積、噴濺或電鍍的方式，使一種磁性材料（如Fe2O3 顆粒）黏於膠帶上而成。,12-5 磁性材料,陶屬磁體主要的基本元素有磁鐵礦及石榴石兩種。磁鐵礦加入鎂、錳或鈷後，可用於計算機上。石榴石中加入釔或鎵後，可形成細小磁區，可用於電腦的儲存單元，這些磁區一旦被磁化後，即使瞬間停電下仍不致遺失它們的記憶。,12-5 磁性材料,磁性材料的種類很多，用途也十分廣泛，而一般使用最多的是具有強磁性的材料，包括具有鐵磁性與非鐵磁性的材料，此等材料常稱為磁性材料。 商業上最重要的金屬磁體常指強磁性的鐵磁性材料而言。,12-5 磁性材料,磁體一般分有天然磁體及人造磁體兩種，而磁體中能夠長期保持磁性者稱為永久磁體，天然磁體與人造磁體都屬於永久磁體。 若使原來不具磁性的物體得到磁性者稱之為磁化；相反地，使磁體磁性消失者稱之為去磁。,12-5 磁性材料,鐵磁性材料在工程技術上應用很廣，不同的磁性材料導磁性能各不 相同。一種磁性材料是否適合於某種用途，工程上常常是依據它的磁滯曲線來決定。 根據磁滯曲線的不同，可以將鐵磁性材料區分為軟磁材料及硬磁材料，磁滯現象可說明如下：,12-5 磁性材料,如圖12-21 所示，為磁滯曲線的實驗曲線圖。圖12-21 中B 軸為磁感應強度，H軸為磁場強度。 在開始時，材料的磁感應強度B會隨磁場強度H的增加而增加（如1曲線所示），當H達到一定的強度後，B 不再隨H 的增強而增加，這時磁化已達飽和（a 點處），磁感應的飽和值為Bs。,12-5 磁性材料,飽和之後，若使H 減少，則B 值亦隨之減小，但不會沿原來1曲線下降，而是沿著2曲線下降。此時，對應的B值比原先的值為大，說明了鐵磁性材料磁化過程為不可逆過程。 當H降至零時，磁感應強度並不等於零而是保留了一定的大小Br，這就是鐵磁質的剩磁現象。要使B繼續減小，必須通入反向電流及反向磁場。,12-5 磁性材料,當H 等於某一定值Hc時（c 點處），B 值為零，這個Hc 值稱為矯頑力。矯頑力的大小反映了鐵磁性材料保持剩磁狀態的能力。 如果再增強反方向的磁場，又可達到反方向的飽和狀態（d 點）。之後，再逐漸減小反方向的磁場至e 點，此時，再改變電流方向及引入正向磁場，則將延3曲線上升而形成了圖中的閉合曲線。 由曲線圖可知，磁感應強度B值的變化總是落後磁場強度H的變化，這種現象稱為磁滯，是鐵磁質材料的重要特性之一。,12-5 磁性材料,12-5 磁性材料,軟磁材料的特點為磁導率大，矯頑力小（Hc 100 安米），磁滯損耗低，它的磁滯曲線呈細長條形狀，如圖12-22 所示。 這種材料容易磁化，也容易退磁，適用於交變磁場，可用來製造變壓器、繼電器、電磁鐵、電機零件及小型直流電動機中的轉子等。,12-5 磁性材料,12-5 磁性材料,碳鋼、合金鋼等材料一經磁化之後，其磁性不易消失，這種材料稱為硬磁性材料，永久磁鐵即為硬磁性材料典型代表。硬磁材料的特點為矯頑力比軟磁材料大，其Hc 100 安米，剩磁Br 也較大。 這種材料的磁滯曲線包圍的面積較大，磁滯特性較顯著，因此，硬磁材料於磁化後，仍能保留很強的剩磁，並且其剩磁不易消失。這種硬磁材料適合製造磁電式電表、永磁揚聲器、耳機、小型無刷馬達中的定子（如圖12-23所示）及雷達中的磁控管等所需的永久磁鐵。,12-5 磁性材料,12-5 磁性材料,簡單的說陶瓷磁體就是具有磁性的陶瓷。有磁性的物質很多，但是陶瓷磁體具有強大的磁場、極高的電阻係數及極低損耗等特性，而且其磁性可隨著陶瓷成分而改變，故可針對不同的需求而設計出不同性質的陶瓷磁體。 因此，陶瓷磁體正大量的被用來製造電感或變壓器的磁芯、磁性記憶材料、各種微波元件與揚聲器及馬達等，前景十分看好。,12-5 磁性材料,鐵氧磁體是主要的陶瓷磁性材料，其成分全為氧化物，以Fe2O3為主要的成分，具有自發性的磁化效應。鐵氧磁體可以加入不同的過渡金屬氧化物而形成具有高保磁力的硬磁鐵，或低保磁力的軟磁鐵。 當一陶瓷磁體材料受到外加磁場的作用時，材料內部結晶顆粒會產生極強的飽和磁化量，且其方向與外加磁場一致，此種材料稱為鐵磁性陶瓷。 若解除外加磁場時，陶瓷本身的磁矩的方向將隨外加磁場的方向改變而改變。,12-5 磁性材料,傳統商業化的陶瓷磁體是陶磁性的材料。在高頻率的產品使用上經常會有渦電流所造成的損耗，沒有一種金屬合金足以防止渦電流損耗。現今可利用陶瓷磁體的高電阻值加以改善。 陶瓷磁性材料最常見的應用有錄音帶、錄影帶及磁片上的磁粉鍍層。塊狀的磁性陶瓷材料則應用於馬達、發電機、磁頭、電感及變壓器的電子裝置等。,12-6 光電材料,光電材料的種類依其應用，主要可分為介電材料、液晶材料、光纖材料、透明材料與發光材料等，茲簡介如下：,介電材料（Dielectricmaterial）：具有很高的電阻係數，是一種絕緣體不會導電，許多（不是全部）陶瓷和聚合物屬於這類材料，可作為絕緣體與電容器材料。介電材料主要功能為充當電容器兩導板間的絕緣材料。介電材料受電場作用時，其電子和原子核內所含的質子與電子將離開正常位置產生極化，可阻隔電子由一導板通過它到另一導板，並使電能儲存在介電材料內，如圖12-24 所示。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,所謂極化係當介電材料受電場作用時，介電材料內產生不平衡電荷的原子或原子團，結果材料內的電荷立即重新分布。為衡量各種材料對於建立電場之能力，乃定義介電常數（Dielectric Constant），以符號r表示。在施加電壓後，理想的介電材料將立刻產生電荷與極化，提高材料的介電常數。 所以，介電常數與電容成正比。真空之介電常數0 為1，其他材料之介電常數乃是與0 之比值。在可變電容器中，陶瓷（Ceramic）及雲母（Mica）為最常用的介電材料，陶瓷的介電常數大於1200 屬於高介電常數材料，如圖12-25所示。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,液晶材料（Liquid crystal）為一半透明之物質，液晶的組成物質是一種有機化合物，也就是以碳為中心所構成的化合物。在有機化合物中，約數百種的有機化合物中就有一種具液晶的特性。 在物質的三態中，液晶是介於固態和液態之間，同時具有固體物質的晶體順序性與液體物質的流動性，故也稱為中間相物質。,12-6 光電材料,液晶分子容易受外力作用而流動，且具有類似單軸晶體的異向特性，也就是材料的光折射率、介電常數、磁化率及黏度等特性會隨著 外來刺激方向的不同而有所差異。 因此，在許多應用上，均是利用液晶分子受外界刺激後，分子的配列發生變化，使其光學或電氣特性也跟著變化，常應用於顯示器、光電元件及感測器等元件上。如圖12-26 所示為液晶介於固態和液態之間的示意圖。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,液晶顯示器（LCD）結構中，上下玻璃板間的半透明介電材料即為液晶材料，功能類似光閘開關。 其原理是利用上下電極通電後，電場產生變化使得液晶分子因介電異方向性與導電異方向性而出現旋光性，如圖12-27 所示。 光線因液晶長軸與短軸折射率不同而產生不同之穿透度，再配合配向膜與偏光板之作用，即可產生光線開與關（ON-OFF）之變化。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,目前應用於LCD的液晶材料依其分子排列順序性，一般可分成向列型（Nematic）、層列型（Smectic）及膽固醇型（Cholesteric）液晶三大項，如圖12-28 所示。 目前最廣泛應用的是向列型的液晶材料。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,一般而言，單一液晶材料無法達到LCD之低電壓驅動、高速化等要求，故液晶材料配方中常需混合1020 種的不同液晶材料，才可達到熱安定性、光安定性等物性及顯示器之特性要求。,12-6 光電材料,光纖就是能輸送光線的纖維。它與輸送自來水的水管以及輸送瓦斯的瓦斯管一樣，只是管子的粗細小了許多，管徑的大小大約只有萬分之一公尺，只比頭髮稍粗。 光纖的主要功用就是傳輸光波，因為光波在空氣中傳送都是沿直線進行，很容易被障礙物阻擋，所以需要光纖來幫忙輸送。,12-6 光電材料,光纖是根據全反射的原理來傳輸光波，而在全反射的狀況下，整條光纖的內壁就像一條周圍都是鏡子的管線，一旦光線進入這條管子，它再也跑不出來，只有乖乖地從進口的這一端跑到出口的那一端，就完成了光波的傳輸。,12-6 光電材料,一旦光波進入光纖，或多或少的還是會從光纖內部漏出來，品質較好者，漏出的光量會較少；塑膠做的光纖，價格較低廉，可用在照明設備上，但相對地漏光量也較大。 玻璃光纖漏光量極小，可使用在需要傳真度較高的訊號傳輸，例如有線電視、光纖網路等應用上。,12-6 光電材料,光在傳播之時，若經兩個不同介質的介面，由於介質傳遞光的速度不同，就會產生折射，猶如插入水中的筷子折斷一般。 當光從傳遞速度慢的介質到傳遞速度快的介質時，會有一部分折射，一部分反射，到了某一角度時會沒有折射，此時稱之為全反射。,12-6 光電材料,舉個例子來說，將手電筒放在注滿水之水桶中（水桶愈大愈好）往上照，此時大部分的光都會照出來，然後我們慢慢地將手電筒傾斜下來，就可以看到反射的光愈來愈多，折射的光愈來愈少，一直傾斜至某一角度時，可以看見水桶底下都是光，而上面卻沒有光透出來，這就是全反射現象。,12-6 光電材料,光在水中傳遞的速度要比在空氣中傳遞的速度慢，故光從水中傳遞至空氣中時，便會有全反射現象。 在這裡我們要介紹一個光纖上常用的專有名詞折射率（Refractive Index），即光在真空中（如太空）傳遞的速度與光在介質中傳遞速度的比值稱之為該介質的折射率。,12-6 光電材料,換言之，光從折射率大的介質到折射率小的介質，會產生全反射現象。 玻璃的折射率比空氣的折射率大，因此光從玻璃到空氣也會有全反射的現象。 光纖中可隨著玻璃纖維的方向而改變，如圖12-29 所示，如此一來光就不會外洩。 又光在光纖中可隨著玻璃纖維的方向而改變，就有如電纜上的電一樣。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,光纖的結構為圓形且細如髮絲之玻璃纖維，如圖12-30 所示，主要分為三部分，裡層稱核心（Core），通常以玻璃做成；核心的外層稱為纖殼（Clad），最外層為防止化學腐蝕的包覆層。 因為光纖是屬於介質波之一種，故只要條件許可，也可使用特殊的塑膠材料或液體材料。,12-6 光電材料,由於光纖的核心直徑只有數個微米（百萬分之一米）至數十微米，而纖殼的直徑也僅在一百至兩百微米之間，其本身相當脆弱。 因此，在一般應用中，會於外層再鍍上一層塑膠，並再加一層尼龍，以免受到外界化學物質的侵蝕。,12-6 光電材料,光纖除應用在大量資訊傳輸之外，一般最常用的則是影像傳送，例如：工程師可在安全距離檢查核能電廠的輻射區，光纖也可以直接檢查機械內部看不到的部分。另外，光纖在醫學上的應用也很多。 例如：內視鏡，它是一根柔軟可彎曲且內含數條光纖的管子，當它滑入病人的嘴、鼻、消化道及其他如心臟等由體外看不到的地方時，醫生便能由內視鏡看到內部變化，而減少進行冒險性手術的需要。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,不同材料的光纖，具有不同傳輸特性，如固有損失、光波色散現象和折射率等。除了品質較好且價格較貴之石英玻璃光纖以外，還有多成 分的玻璃纖維、塑膠纖維以及紅外線纖維等光纖材料。主要光纖材料分類，如圖12-31 所示。,12-6 光電材料,透明材料主要作用為當光線穿過時，能形成清晰鮮明之影像，並希望具有再現性與穩定性。 因此，一般透明材料應具備以下基本特性：高度的透明性、大的折射率、低的色散特性、小的雙折射性、潔淨性、易成型性、高的耐熱性、低吸水性及適當的強度等。,12-6 光電材料,最常見之透明材料中，壓克力（PMMA）最常用於鏡片上。 PMMA曾用於影碟（Laser disk）的製作，但在LD 市場逐漸式微的影響下，PMMA 之光學用途上受到限制。 聚碳酸酯（PC）塑膠常被用於光碟，也廣泛應用於安全眼鏡、部分照相機鏡片、汽車前燈等。 由美國PPG公司所開發的ADC 樹脂（Allyl diglycol carbonate），主要僅使用於眼鏡鏡片市場。,12-6 光電材料,在各種類型的能量激發作用下可發光的物質叫發光材料。 自然界中的許多物質，包括無機化合物和有機化合物，都或多或少可以發光。 發光材料在工業、農業、醫學、交通、軍事等領域均有重要應用，是一種精細高技術產業。,12-6 光電材料,有機或無機材料的發光原理極為相似，當材料受到一順向偏壓時，外加電壓能量將驅動電子與電洞，分別由負極與正極注入到此材料中，當兩者在傳導中相遇，會互相結合而形成所謂的電子（電洞複合），此時電子的狀態位置將由激態高能階回到穩態低能階，而其能量差異將分別用光子或熱量的方式放出，其中可見光的部分可被利用當作顯示功能。 因為是利用材料能階差，釋放出來的能量轉換成光子，所以我們可以選擇適當的材料當作發光層或是在發光層中摻雜染料，以得到我們所需要的發光顏色。,12-6 光電材料,目前常用之發光材料如表12-7 所示。,12-6 光電材料,1.無機發光材料 目前應用較廣的發光材料主要是無機發光材料，尤其是固體材料。 在固體材料中，用得最多的是粉末狀多晶；其次是薄膜和單晶。 發光材料通常是些微小的晶體，顆粒大小在幾微米到十幾微米。粉末材料的應用最廣，在各種激發方式的發光中應用的很廣泛。,12-6 光電材料,實際應用中種類繁多，最重要的有以下各類化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化物）；含氧酸鹽（磷酸鹽、矽酸鹽、硼酸鹽、釩酸鹽、鎢酸鹽）；氧化物、硫氧化物、鹵氧化物等。 這些化合物的陽離子一般都是週期表中的第族元素（鋅、鎘、汞、錳和鍶等）和稀土元素。,12-6 光電材料,2.有機發光材料 有機發光材料與無機發光材料相比，有機發光材料具有許多不可比擬的優越性，主要表現在下述三方面： (1)有機材料可以獲得在可見光譜範圍內的全色發光，特別是無機材料難以獲得的藍光。 (2)可以直接用十幾伏甚至幾伏的直流低壓驅動，可以與積體電路直接匹配。 (3)有機電致發光元件的製作方法簡單，可以低成本製成超薄平板顯示元件，因此易於商業化。,12-6 光電材料,選擇有機發光材料必須滿足下列要求： (1)高量子效率的螢光特性，且螢光光譜主要分布在400700nm可見光區域內。 (2)良好的半導體特性，即具有高的電導率，或能傳導電子，或能傳導電洞，或兩者兼有。 (3)良好的成膜性，在幾十個奈米的薄層中不產生針孔。 (4)良好的熱穩定性。,12-7 其他材料,奈米兩字翻譯自英文Nanometer表示基本長度單位十億分之一公尺，即1nm = 10 -9m簡稱nm，過去產業界常以毫微米稱呼，如表12-8 所示。 奈米材料通常是指尺度介於1100 奈米尺寸之大小的材料，如圖12-31所示，為顯示不同物體尺度之差異。 但是微小尺寸僅只是基本條件，更重要的是要在微觀奈米狀態下，能實證出特殊新穎的物理或化學性質，例如：電性、磁性、光學、熱性質與化學活性等。,12-7 其他材料,這些物理和化學特性通常以奈米材料於聚集狀態下測其特性，但未來隨著奈米級量測技術之進步，則將陸續趨向於微觀之奈米級個體量測，例如：針對奈米團簇之性質量測與分析。,12-7 其他材料,12-7 其他材料,12-7 其他材料,1.奈米結晶材料（Nanocrystalline materials）：由於物質在微結構微 小化時，表面原子與內部材料原子個數比例會顯著上升，此時介面原子的行為便會決定物質的性質。 2.奈米孔隙材料（Nanoporous material）：此類材料指孔隙尺寸小於100nm 之多孔隙材料，包括自然界中早已存在之生物膜（如蓮花表面、蝴蝶翅膀鱗片、鵝的羽毛等）與沸石，其高表面積使之具高催化及吸附效應。,12-7 其他材料,3.奈米纜線傾向於無機材質，主要運用於電子工程。奈米纜線之電子傳遞行為並不遵循古典電子學，應用於建構複雜之電路系統時，主要困難點在於纜線間之連結性 4.奈米碳管：奈米科技（Nano Technology）的概念，是利用物質的最基本單位原子和分子層次的操控物質，組合出極其微小的新材料和新機器。,12-7 其他材料,日本NEC 科學家飯島澄男（Sumio Iijima）於1991 年，在研究碳簇C60時發現奈米碳管是一種直徑1 30 奈米（Nanometer）的圓筒形碳材料。 奈米碳管的原子結構（如圖12-32）是目前自然界中所發現最細的管子。其未來的成品如圖12-33 所示，奈米碳管具熱傳導性佳、導電性（銅的1 萬倍）佳、強度佳、化學性穩定，而且又柔軟的特性。 奈米碳管可以用來製造強度約為鋼鐵的100 倍之光纖，然而重量卻只有鋼鐵的六分之一。,12-7 其他材料,美國休斯頓稻米大學（Rice University）的科學家R. E. Smalley宣稱奈米碳管價格為每克60 美元至每克1000 美元，而黃金價格每克不到10 美元，黑色的醜小鴨馬上變成美麗的天鵝。 因此奈米碳管又稱為奈米碳烏金。經過許多實驗證實，奈米碳管具有超級的彈性，即使讓奈米碳管彎曲九十度也不會折斷。,12-7 其他材料,舉一個例子來說明，假設有一輛完全由同一根奈米碳管所製作之汽車，高速行駛後撞擊一面牆。我們會發現此輛車子並不會像一般汽車在強烈撞擊後解體碎裂，主要是因為奈米碳管所製成之汽車具有超級的彈性，撞擊後會縮成一團，然後再慢慢回到原來之形狀。,12-7 其他材料,12-7 其他材料,12-7 其他材料,奈米碳管可以說是種蘊藏高潛力（High potential）的夢幻材料。 繼矽（Si）取代鐵（Fe）之後，奈米碳管有可能取代矽，成為二十一世紀科技產業的核心材料。 5.奈米粉體是奈米材料中種類最多且運用最為廣泛的一種，自潔玻璃即為一例。,12-7 其他材料,6.光子晶體：光子晶體是一種多孔結構的組織。 由於具有特定的物理結構，因此可使光波在物質中的電磁特性加以改變，並使得電磁波在具有高度排列秩序的材