【精品课件】材料工程与科学

1、Chapter 1 -1材料工程與科學材料工程與科學目標目標.介紹材料科學基本觀念學習內容學習內容: 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本課程可幫助你: 適當選用材料 在新設計上應用材料進行Chapter 1 -2第一章第一章 簡簡 介介 材料科學是什麼材料科學是什麼 ? 有什麼重要內容有什麼重要內容 ? 材料促進社會進步 石器時代石器時代 銅器時代銅器時代 （金屬）（金屬） 鐵器時代鐵器時代 （金屬）（金屬） 現在現在 ? 矽時代矽時代 （半導體）（半導體）? 高分子高分子 （塑膠）（塑膠）? 奈米材料奈米材

2、料Chapter 1 -CHAPTERCHAPTER 1IntroductionChapter 1 -Chapter 1 -1 1.2 .2 Chapter 1 - 結構結構(Structure)包含原子和分子組織相互間的包含原子和分子組織相互間的相對關係相對關係.結構意謂材料結構與內部成份的排列結構意謂材料結構與內部成份的排列 有關有關. 性質性質(Property)是指材料特點是指材料特點,一般而言材料性一般而言材料性質的定義與材料的形狀及大小無關質的定義與材料的形狀及大小無關.固體材料可固體材料可分為分為6種不同性質種不同性質: 機械機械,電性電性,熱熱,磁磁,光電與劣性光電與劣性. 除

3、結構與性質以外除結構與性質以外,另兩個材料相當重要的是製另兩個材料相當重要的是製程程(Processing)與性能與性能(Performance).Chapter 1 -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 adapted from (a) Fig.10.19; (b) Fig. 9.30;(c) Fig. 10.3

4、3;and (d) Fig. 10.21, Callister 7e. ex:鋼鐵的結構與冷卻速率 製程製程 改變改變 結構結構 性質、結構、製程性質、結構、製程Hardness (BHN)Cooling Rate (C/s)1002003004005006000.01 0.11101001000(d)30 mm(c)4 mm(b)30 mm(a)30 mmChapter 1 -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，所以是透明的，中間的氧化鋁球由於是，所以晶片會教射一部分之反射光，故是半透明，右邊的氧化鋁試片是具有 ，所以是不透明的。 圖圖 1.2Cha

5、pter 1 - 材料問題是由成千上萬的可用材料中選出適用材料問題是由成千上萬的可用材料中選出適用的材料的材料,材料的選擇包括材料的選擇包括: 1.適當的材料特性與強度適當的材料特性與強度. 2.生產操作期間的劣化生產操作期間的劣化,例如腐蝕和氧化例如腐蝕和氧化. 3.經濟性經濟性,成本考量成本考量.Chapter 1 -10 金屬:金屬材料通常是由金屬元素組成金屬材料通常是由金屬元素組成,是電熱的導體是電熱的導體,雖硬但會變形雖硬但會變形. 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陶瓷材料是電熱的絕緣體,硬度高具脆性硬度高具脆性,比金

6、屬和高分子更耐高溫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、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高分子材料包括塑膠和橡膠材料,許多是有機材料許多是有機材料,化學上化學上以碳以碳,氫和其它機金屬為基礎氫和其它機金屬為基礎,基本上具有非常大的分子結構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Chapter 1 -11實例：實例： 發展新型高分子發展新型高分子商用塑膠 使用量大例：聚乙烯 Polyethylene聚丙烯 Polyp

7、ropylene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 PolysulfoneChapter 1 -f03_01_pg6Chapter 1 -f04_01_pg6Chapter 1 -f05_01_pg7Chapter 1 -f06_01_pg7Chapter 1 -f07_01_pg8Chapter 1 -17電性電性 銅導電性: 原子提高銅的電阻 變形變形提高銅的電阻.Adapted from Fig. 18.8, Callister 7e.

8、(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 Company, 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” CuChapter 1 -18熱性質（熱性質（1）

9、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 CD-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 (

10、HRSI)Credit: WikipediaChapter 1 -19Adapted from Fig. 19.4, Callister 7e.(Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing Editor), American Society for Metals, 1979, p. 315.)Composition (wt% Zinc)Thermal Cond

11、uctivity (W/m-K)4003002001000010203040 銅的熱傳導性: -!但強度,硬度增加熱性質（熱性質（2）Chapter 1 -20磁磁 性性 磁導率 vs. 成分: -加入加入 3 at. % Si使使Fe變成更變成更 佳的記錄介質佳的記錄介質!Adapted from C.R. Barrett, W.D. Nix, andA.S. Tetelman, The Principles ofEngineering Materials, Fig. 1-7(a), p. 9,1973. Electronically reproducedby permission of P

12、earson 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 FieldMagnetizationFe+3%SiFe儲存介質磁頭磁場磁化Chapter 1 -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

13、 preparation,P.A. Lessing; photo by S. Tanner.)單晶單晶多晶：低孔隙度多晶：低孔隙度多晶：低高孔隙度多晶：低高孔隙度光學性質光學性質Chapter 1 -22劣化劣化 應力與鹽水. -導致裂紋! Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 17, Callister 7e.(from Marine Corrosion, Causes, and Prevention, John Wiley and Sons, Inc., 1975.)4 mm- 7150-T651 鋁合金 (Zn,Cu,Mg,Zr

14、)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 Engineering Materials (4th ed.), p. 505, John Wiley and Sons, 19

15、96. (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Chapter 1 -f08_01_pg8Chapter 1 -f09_01_pg9Chapter 1 -f10_01_pg9Chapter 1 - 複合材料複合材料(Composites):由多於一種以上的材料所組成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玻璃纖維是最常討論的例子,將玻璃纖維埋進聚合體將玻璃纖維埋進聚合體,強強度來自玻璃度來自玻璃,柔軟性來

16、自高分子柔軟性來自高分子. 半導體材料半導體材料(Semiconductors):半導體材料電性介於導半導體材料電性介於導體和絕緣體之間體和絕緣體之間,使電子和電腦工業大舉革新使電子和電腦工業大舉革新. 生醫材料生醫材料(Biomaterials):生醫材料使用材料植入人體生醫材料使用材料植入人體,以代替疾病與損害的部份以代替疾病與損害的部份,例如人工髖骨例如人工髖骨. 智慧材料智慧材料(Smart):智慧材料是目前發展中智慧材料是目前發展中,對許多技術有對許多技術有明顯改善明顯改善,例如形狀記憶合金例如形狀記憶合金,壓電陶瓷等壓電陶瓷等. 奈米材料奈米材料(Nano):奈米單位奈米單位10-

17、9 m,其中奈米碳管是一項其中奈米碳管是一項新的發現新的發現,探具有相當高的強度與極佳的性質探具有相當高的強度與極佳的性質. Chapter 1 -27實例實例 人工髖關節人工髖關節 (Hip)移植移植 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.Chapter 1 -28人工髖關節人工髖關節 (Hip)移植移植 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Chapter 1 -29人工髖