材料与奈米科技的发展与人物

第十三章

材料与奈米科技的

发展与人物

/sundae_meng材料科技研究材料成分制造方法物理特性（硬度、延展性、熔点、密度、导电性、导热性、热膨胀系数等）化学特性（对酸碱之抗腐蚀性、抗氧化性或防锈性、生化反应等）/sundae_meng材料的分类金属材料陶瓷材料聚合体（或称高分子材料或塑料）复合材料半导体材料/sundae_meng金属材料钢铁纯铁：含碳量低于0.02%，韧性及塑性佳，然而硬度差普通碳钢：含碳量为0.02%—2.0%，强度高，韧性和塑性佳，应用范围最广铸铁：含碳量为2.0%—4.5%，质硬且脆，塑性差，通常采用铸造方式制造成品，一般常见于工具机之底座或是铸成肖像/sundae_meng不锈钢─含有铬、镍等元素，可在表面产生一层保护膜以避免氧化生锈

304不锈钢俗称白铁，用量较多316不锈钢之铬、镍含量与304不锈钢差不多，但是316不锈钢多含了1%—3%的钼，因此特别抗氯盐的局部腐蚀，价格也比较贵，应用于对耐腐蚀性要求较高的环境/sundae_meng轻金属铝合金：其中铝合金具有质轻及耐蚀之优点而广受使用，因为铝合金外表会形成氧化铝薄层以防止内部材料进一步氧化。常用于铝门窗、饮料罐等。铝铜合金及铝锌镁相当坚韧，可作为飞机材料。铝亦可用作电线，在一般的IC或发光二极管（LED）上，其电线有些会用铝硅合金线铝也可用在三五族光电半导体上，如砷化铝镓（AlxGa1-xAs）等，只要改变铝与镓之浓度比，可做出不同波长的雷射二极管（LD）或发光二极管/sundae_meng镁合金具有相当低之比重，现今之移动电话及笔记本电脑在轻薄短小及防电磁波外泄的要求下，其外壳材料已经逐渐使用镁合金/sundae_meng钛合金纯钛的比重较镁合金或铝合金高。然而相较于钢铁而言，钛合金具有质轻，强度较钢硬，熔点高（1672℃），且不畏强酸、强碱腐蚀之优点，一般应用于眼镜架、高尔夫球具及航空器上。在飞机上，部分须要耐高温的零件就必须以钛合金来制作/sundae_meng有色金属常见的有色金属为铜及金，。铜（纯铜熔点为1083℃）及铜合金之使用已有超过千年的历史纯铜（又称红铜）的导电性仅次于纯银，而银很贵，所以电线、电缆几乎全为纯铜的天下；另外，由于铜的优良导热性，使其在散热器及热交换器上亦居有主要之地位黄铜（铜锌合金）青铜（铜锡合金）等/sundae_meng青铜器/sundae_meng贵重金属─金、银、白金及其合金黄金（熔点1064℃）主要用在饰品及货币。由于纯金的延展性非常的好，31克的金可展成300平方英尺，或是拉成毛发般的细线纯金定位为24K，为了增加强度、硬度及耐磨性，金与铜元素可依照不同比例制作成14K至18K的K金，作为装饰、项链及戒指等之用黄金的比重高达19.3，而纯铜的比重为8.93，所以配成K金后体积会变大，阿基米得即是利用此现象而判定花圈并非纯金制成/sundae_meng由于金的导电率高且不会产生氧化作用，所以目前之光电半导体工业的连接线均以纯金线为主，1998年的使用量即高达数公吨之多/sundae_meng银（熔点962℃）的比重为10.49，主要用于货币及食物容器。银为最佳之导电体，但由于价格昂贵而无法做为一般导电材料。银必须添加其它元素以增加强度及硬度，主要的合金元素为铜，法定纯银之成分为92.5%的银及7.5%的铜。银的反射率高，所以被用于玻璃镀银作成镜子；底片上的感光粒子主要为溴化银（AgBr）；此外，银可作成银锡汞或银锡铜汞合金（俗称汞齐），广泛应用于镶牙材料/sundae_meng白金（熔点1769℃）的比重为21.43，其延性及展性均非常的好，可加工成钱币、珠宝装饰品，由于具有良好之耐蚀性及抗氧化性，在实验室中常被用于高温热电偶、电化学的电极、坩埚、电路接点等。又具有独特的触媒作用而广泛应用于石化工业；若利用白金作汽车触媒转换器，则可减少废弃之排放量/sundae_meng低熔点金属─铅、锡、锌及汞铅(熔点327℃)的比重为11.36，，广用于子弹头及钓鱼、网鱼之重锤等。而铅合金之应用中，则以铅锑合金应用于铅酸电池，铅锡合金应用于焊接之焊锡，铅锌镉合金应用于保险丝等之易熔合金，铅锑锡合金应用于印刷用铅版之活字合金/sundae_meng锡(熔点232℃)的比重为5.8（灰锡）或7.3（白锡），灰锡与白锡之转换温度为13.2℃，高于此温度为白锡。锡广用于镀锡铁板，亦即是马口铁，耐蚀性良好，作为一般食品罐头，其有机酸锡具有抑制腐蚀的作用；锡又可与其他低熔点金属配成易熔合金或软焊材料等/sundae_meng锌(熔点420℃)的产量仅次于铝及铜，锌的比重为7.13，锌合金广用于压铸模具/sundae_meng汞的比重为13.6，熔点为−38.8℃，所以，我们一般看到的都是液态的汞，最常见的就是水银温度计及牙科用的汞齐/sundae_meng镍(熔点1455℃)与铁一样具有磁性，比重为8.91，常用于货币中之添加元素、不锈钢的合金元素，或电池及触媒等材料镍基超合金是耐热金属，用于超音速战斗机之推进器中的涡轮叶片/sundae_meng形状记忆合金形状记忆合金：在某个温度以下，可制成任意形状，而一旦恢复原来的温度，形状记忆效应会复原而变成原来形状/sundae_meng记忆合金可用来作自动调节电流之开关，当电流过大时，温度会升高，此时记忆合金会恢复原状，使得开关跳开，而当电流变小，温度降低，记忆合金会再度变形，使得开关重新接通。其他还可用来作可侦测温度之机器手臂、胸罩中的记忆钢圈等等最早的记忆合金，是用金（52.5%）与镉（47.5%）作成，后来又有镍钛合金、铜锌铝合金等数十种产品出现。镍钛形状记忆合金则应用于牙齿矫正线/sundae_meng钨具有金属中最高的熔点（3410℃），可用作灯丝，添加于铁中可制作成高速钢、钻头钢等，因其耐磨损且抗腐蚀性佳，且不怕摩擦产生高热而变质或变形爱迪生使用钨丝制作了灯泡，开启了人类光明的时代/sundae_meng陶瓷材料金属或非金属的氧化物、氮化物或碳化物即为陶瓷材料，一般具有硬、脆、耐高温、绝缘、安定及耐压缩的特性历史上的陶器时代即已使用氧化物陶瓷/sundae_meng陶瓷材料也是最进步的材料，例如航天飞机外表之隔热砖。除了传统之碗、盘、花瓶等陶瓷外，新式之陶瓷材料可用作假牙，或用在光学、电子组件上。例如声光调制器，可用在雷射唱盘之光学读写头上，用来控制雷射光输出之方向/sundae_meng玻璃材料玻璃的主要成分为二氧化硅加上其他物质，而石英则是纯的二氧化硅；水晶玻璃则是含铅量较高的玻璃，具有较高的折射率。玻璃是一种原子排列状态类似液体的固体（可视为一种过冷液体），内部原子排列并无一定的规则，而是混乱排列。而玻璃除了可作杯子、窗户之外，玻璃纤维可用来制造光纤，供通讯之用

/sundae_meng超导材料1911年，欧尼斯发现当汞的温度降到−269℃时，电阻会忽然间消失掉，这个超导现象同样发生于锡、铅及其他金属1957年科学家约翰巴登（Bardeen）、寇柏（Cooper）及休里夫（Schrieffer）才成功的以量子电子动力学解释超导性质近年来，高温超导也成为热门的研究项目，而这些超导材料可以应用于医学、核能工程以及磁浮列车等科技/sundae_meng超导材料具有零电阻及磁浮等两项特点。零电阻可减少电流传递之损失；而磁浮现象是因为超导材料在其临界温度以下，磁力线无法穿透，只能从其旁边经过，因而将超导体托起而使其悬浮/sundae_meng将超导材料制作成传输电力的电线，则可省下很多在传递过程中因为电阻而损失的电力将超导材料与磁铁搭配应用于高速铁路，则可使得列车浮在轨道上，不必使用车轮而无摩擦损失，列车将因此更平稳及更快速/sundae_meng聚合体或高分子材料聚合体就是很多单体分子聚合在一起的意思，也称之为高分子材料，俗称塑料，是属于有机材料，主要来源是石化工业的产物加以合成，可分为一般塑料及工程塑料两大类型聚合体的制成多半采用射出成型方式制造，而其外观颜色则可藉由添加颜料或涂料而得之/sundae_meng热固型聚合体就是聚合体在加热后会硬化热塑型聚合体则加热后会软化聚合体包括塑料、人工橡胶及人造纤维等，是将有机单分子聚合而成。有机高分子材料不易破碎、质轻、不导电、耐酸碱腐蚀及不耐温，故可作为容器、衣物、电线外面之绝缘层及家用器具之外壳等由于聚合物不易分解，在过去曾经被视为优点，而今则被视为环保问题/sundae_meng复合材料复合材料是由金属、陶瓷、聚合体三种基本材料中，两种或两种以上性质不同的材料合在一起而产生的一种新材料，为目前材料科学研究之主流复合材料内部可以分为强化材及基材。强化材之主要目的在提供强度，其形状可为纤维状、颗粒状或片状；而基材之主要目的在于将强化材结合在一起，除了黏结效果外，另外有提供韧性及保护强化材之功用/sundae_meng玻璃纤维复合材料为玻璃纤维所制之布加上热熔树脂，然后压制而成，可用作人造卫星、火箭之外壳，以及雷达罩（因其不反射电波）等碳纤维复合材料则为苯烯脂纤维加上其他材料制成。碳纤维复合材料质轻，强度大，且耐高温。在民生工业上常用作高级自行车架、网球拍、高尔夫球具之杆身等

/sundae_meng半导体材料吾人可在半导体材料中添加适当杂质，使之变成P型（电洞数较多）或N型（电子数较多）之半导体，再将P型与N型半导体适当排列组合，即可制成各式各样的组件。而半导体材料一般分为：

四价半导体材料，如硅（Si）、锗（Ge）等。硅材料常用来制造计算机及家电产品的集成电路，也可做成传感器

三五族半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等。电子与电洞在三五族半导体中运动速度较快，因此三五族半导体也常用作高速电子组件，但是其积体化效果较差

二六族半导体材料等三五族半导体及二六族半导体材料因为会发光，所以常用来制造雷射二极管、发光二极管、光传感器等光电组件/sundae_meng晶圆放大图/sundae_meng奈米科技奈米(nanometer,nm)是长度的一个单位，约莫为四个氮原子串联起来的长度。1nm=10-9m1990年IBM实验室的研究员伊格（Eigler）利用STM在超高真空和极低温的条件下，在镍基板上操纵35个氙（Xenon）原子而成功排列成“

I-B-M”

三个英文字母。同年7月，第一届国际奈米科学技术会议在美国巴尔的摩港市（Baltimore）举行，此为奈米科技正式独立成为一门学科的里程碑/sundae_meng物质在微小的尺寸下，其特殊之奈米结构会改变物质之基本物理化学性质，例如力学性质、光学性质、电性质、磁性质、热性质、表面性质等方面，皆会在奈米尺寸下展现出不同于大尺寸世界之特性例如一般的金块是金色，且化学活性小；然而当其尺寸缩小至奈米尺寸时，颜色会从金色变为鲜红色，且化学活性变大，其颜色变化可用于验孕试剂或其他医学疾病之筛检/sundae_meng奈米科技在食的应用奈米化陶瓷复合材料所发射的远红外线具有食物保鲜之功能，将其做成盘子或做成编织物覆盖于食物上，皆可达保鲜之功效奈米钛涂料具有自洁性，将其涂布于装盛饮水或食物之容器表面，可减少结垢之发生/sundae_meng奈米科技在衣的应用奈米化纤维可使纺织品光泽优雅，质感细致，而其奈米结构具自洁之功能，一旦被油污沾染时，用一般清水即可洗涤干净，因此搏得「奈米免洗衣服」之称衣服纤维中添加奈米级二氧化钛或氧化锌等无机粉体材料时，可吸收阳光中之紫外线，使紫外线对衣服之穿透率降至小于1%，大大减少紫外线对人体之伤害奈米物质远红外线纤维具有吸湿排汗之功能，可防止穿于脚上的袜子发生变湿发臭等扰人问题/sundae_meng金属银的奈米粒子会使细菌的DNA失去复制蛋白质的能力，而且银离子也会与蛋白质上的某些官能基形成键结，因而使蛋白质受损Sondi等人于2004年曾使用自行合成的奈米银粒子做为抗菌剂，测试它对大肠杆菌的抗菌效果，研究结果显示与奈米银接触的大肠杆菌，细胞壁上产生了许多小孔洞，奈米银粒子则累积在细胞壁上，细胞壁形成孔洞之后会使得细胞壁的透过度显著增加，最后造成细胞的死亡/sundae_meng奈米科技在住的应用奈米化建材或涂料可具有防水、防火、自洁、质轻、环保、耐震及高强度等特性奈米光触媒的凉风扇、冷气机及空气清净机等电器，由于奈米化颗粒的高化学活性，可增强光分解反应之效益，因此其净化空气、除臭、杀菌或抑菌等清洁功能极为优异/sundae_meng将卫浴设备之表面镀有奈米级的涂料颗粒时，运用奈米材料经过适当的成分调配及烧烤处理步骤，让瓷釉表面形成细致的奈米接口结构，达到莲花出淤泥而不染的莲花效应（LotusEffect），使污垢无法附着于上，所以水一冲即可将脏污去除干净（冲洗后）污物完全无残留（冲洗中）洗净力超强（冲洗前）污物无法沾附呈水珠状（莲花效应）/sundae_meng将奈米二氧化钛光触媒涂布于建筑物之外观，会因为阳光（紫外线）之照射而产生自洁之效应，不必人工清洗在污水处理方面，加入奈米级净水剂，由于其具有高表面积，可有效吸附污水中之污染物；奈米微气泡技术突破传统水处理技术，可大幅提升污水处理速率及效能/sundae_meng油垢变成黏合剂，黏住粉尘污垢并沾染于大楼外壁油垢粉尘被分解后，再被雨水冲刷掉紫外线照射光触媒，产生化学反应分解污垢雨涂装光触媒油污粉尘/sundae_meng奈米科技在行的应用奈米复合材料之使用，可使车体重量减轻、强度增强、抗热、耐腐蚀橡胶轮胎若掺入奈米碳颗粒，可增加轮胎之耐磨性与抗老化性，使轮胎寿命大增/sundae_meng在汽机车排放废气处理方面，奈米化之化学反应催化剂，由于具有极高比表面积，故具较强之催化活性，可在短时间内将废气处理转换成不具毒性的气体奈米金粒子催化剂可将一氧化碳转化为无害的二氧化碳，将氮氧化物还原成氮气及氧气，催化水煤气转移反应及加速臭氧的分解二氧化钛奈米颗粒更是成熟的光触媒，可应用于废气处理及空气清净方面/sundae_meng奈米能源技术的开发，可使人类免于依赖日渐枯竭的石油。例如以奈米触媒技术将太阳的光能转换成电能，再将电能将水分解，产生继石油之后无污染的新能源—氢气，而奈米碳管则是具有高储氢能力之材料/sundae_meng奈米科技在育的应用奈米高密度磁记录材料可增加记忆储存容量达传统磁材的数十倍，而奈米光盘的超大容量更可达一般光盘容量的百万倍，且能增加数据保存效能奈米技术不但可加速计算机芯片运算处理速度，更可加强省电效益在印刷技术方面，奈米科技之导入可大幅改善油墨质地及印材设备，具有极细致、精确的高质量色彩印刷。一般纸张加入特殊奈米涂剂时，具有防水防油之功能，可延长书籍之寿命/sundae_meng奈米科技在乐的应用将奈米制程技术用于手机通讯