【大學(xué)】材料與奈米科技的發(fā)展與人物

第十三章

材料與奈米科技的

發(fā)展與人物

編輯ppt材料科技研究材料成分制造方法物理特性（硬度、延展性、熔點(diǎn)、密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)等）化學(xué)特性（對(duì)酸堿之抗腐蝕性、抗氧化性或防銹性、生化反應(yīng)等）編輯ppt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料）復(fù)合材料半導(dǎo)體材料編輯ppt金屬材料鋼鐵純鐵：含碳量低于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(qiáng)度高，韌性和塑性佳，應(yīng)用范圍最廣鑄鐵：含碳量為2.0%—4.5%，質(zhì)硬且脆，塑性差，通常采用鑄造方式制造成品，一般常見于工具機(jī)之底座或是鑄成肖像編輯ppt不銹鋼─含有鉻、鎳等元素，可在表面產(chǎn)生一層保護(hù)膜以避免氧化生銹

304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(jià)格也比較貴，應(yīng)用于對(duì)耐腐蝕性要求較高的環(huán)境編輯ppt輕金屬鋁合金：其中鋁合金具有質(zhì)輕及耐蝕之優(yōu)點(diǎn)而廣受使用，因?yàn)殇X合金外表會(huì)形成氧化鋁薄層以防止內(nèi)部材料進(jìn)一步氧化。常用于鋁門窗、飲料罐等。鋁銅合金及鋁鋅鎂相當(dāng)堅(jiān)韌，可作為飛機(jī)材料。鋁亦可用作電線，在一般的IC或發(fā)光二極管（LED）上，其電線有些會(huì)用鋁硅合金線鋁也可用在三五族光電半導(dǎo)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(zhǎng)的雷射二極管（LD）或發(fā)光二極管編輯ppt鎂合金具有相當(dāng)?shù)椭戎?，現(xiàn)今之移動(dòng)電話及筆記本電腦在輕薄短小及防電磁波外泄的要求下，其外殼材料已經(jīng)逐漸使用鎂合金編輯ppt鈦合金純鈦的比重較鎂合金或鋁合金高。然而相較于鋼鐵而言，鈦合金具有質(zhì)輕，強(qiáng)度較鋼硬，熔點(diǎn)高（1672℃），且不畏強(qiáng)酸、強(qiáng)堿腐蝕之優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用于眼鏡架、高爾夫球具及航空器上。在飛機(jī)上，部分須要耐高溫的零件就必須以鈦合金來制作編輯ppt有色金屬常見的有色金屬為銅及金，。銅（純銅熔點(diǎn)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(dǎo)電性僅次于純銀，而銀很貴，所以電線、電纜幾乎全為純銅的天下；另外，由于銅的優(yōu)良導(dǎo)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）等編輯ppt青銅器編輯ppt貴重金屬─金、銀、白金及其合金黃金（熔點(diǎn)1064℃）主要用在飾品及貨幣。由于純金的延展性非常的好，31克的金可展成300平方英尺，或是拉成毛發(fā)般的細(xì)線純金定位為24K，為了增加強(qiáng)度、硬度及耐磨性，金與銅元素可依照不同比例制作成14K至18K的K金，作為裝飾、項(xiàng)鏈及戒指等之用黃金的比重高達(dá)19.3，而純銅的比重為8.93，所以配成K金后體積會(huì)變大，阿基米得即是利用此現(xiàn)象而判定花圈并非純金制成編輯ppt由于金的導(dǎo)電率高且不會(huì)產(chǎn)生氧化作用，所以目前之光電半導(dǎo)體工業(yè)的連接線均以純金線為主，1998年的使用量即高達(dá)數(shù)公噸之多編輯ppt銀（熔點(diǎn)962℃）的比重為10.49，主要用于貨幣及食物容器。銀為最佳之導(dǎo)電體，但由于價(jià)格昂貴而無法做為一般導(dǎo)電材料。銀必須添加其它元素以增加強(qiáng)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，所以被用于玻璃鍍銀作成鏡子；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(yīng)用于鑲牙材料編輯ppt白金（熔點(diǎn)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，由于具有良好之耐蝕性及抗氧化性，在實(shí)驗(yàn)室中常被用于高溫?zé)犭娕?、電化學(xué)的電極、坩堝、電路接點(diǎn)等。又具有獨(dú)特的觸媒作用而廣泛應(yīng)用于石化工業(yè)；若利用白金作汽車觸媒轉(zhuǎn)換器，則可減少?gòu)U棄之排放量編輯ppt低熔點(diǎn)金屬─鉛、錫、鋅及汞鉛(熔點(diǎn)327℃)的比重為11.36，，廣用于子彈頭及釣魚、網(wǎng)魚之重錘等。而鉛合金之應(yīng)用中，則以鉛銻合金應(yīng)用于鉛酸電池，鉛錫合金應(yīng)用于焊接之焊錫，鉛鋅鎘合金應(yīng)用于保險(xiǎn)絲等之易熔合金，鉛銻錫合金應(yīng)用于印刷用鉛版之活字合金編輯ppt錫(熔點(diǎn)232℃)的比重為5.8（灰錫）或7.3（白錫），灰錫與白錫之轉(zhuǎn)換溫度為13.2℃，高于此溫度為白錫。錫廣用于鍍錫鐵板，亦即是馬口鐵，耐蝕性良好，作為一般食品罐頭，其有機(jī)酸錫具有抑制腐蝕的作用；錫又可與其他低熔點(diǎn)金屬配成易熔合金或軟焊材料等編輯ppt鋅(熔點(diǎn)420℃)的產(chǎn)量?jī)H次于鋁及銅，鋅的比重為7.13，鋅合金廣用于壓鑄模具編輯ppt汞的比重為13.6，熔點(diǎn)為?38.8℃，所以，我們一般看到的都是液態(tài)的汞，最常見的就是水銀溫度計(jì)及牙科用的汞齊編輯ppt鎳(熔點(diǎn)1455℃)與鐵一樣具有磁性，比重為8.91，常用于貨幣中之添加元素、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，用于超音速戰(zhàn)斗機(jī)之推進(jìn)器中的渦輪葉片編輯ppt形狀記憶合金形狀記憶合金：在某個(gè)溫度以下，可制成任意形狀，而一旦恢復(fù)原來的溫度，形狀記憶效應(yīng)會(huì)復(fù)原而變成原來形狀編輯ppt記憶合金可用來作自動(dòng)調(diào)節(jié)電流之開關(guān)，當(dāng)電流過大時(shí)，溫度會(huì)升高，此時(shí)記憶合金會(huì)恢復(fù)原狀，使得開關(guān)跳開，而當(dāng)電流變小，溫度降低，記憶合金會(huì)再度變形，使得開關(guān)重新接通。其他還可用來作可偵測(cè)溫度之機(jī)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%）作成，后來又有鎳鈦合金、銅鋅鋁合金等數(shù)十種產(chǎn)品出現(xiàn)。鎳鈦形狀記憶合金則應(yīng)用于牙齒矯正線編輯ppt鎢具有金屬中最高的熔點(diǎn)（3410℃），可用作燈絲，添加于鐵中可制作成高速鋼、鉆頭鋼等，因其耐磨損且抗腐蝕性佳，且不怕摩擦產(chǎn)生高熱而變質(zhì)或變形愛迪生使用鎢絲制作了燈泡，開啟了人類光明的時(shí)代編輯ppt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(shí)代即已使用氧化物陶瓷編輯ppt陶瓷材料也是最進(jìn)步的材料，例如航天飛機(jī)外表之隔熱磚。除了傳統(tǒng)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(xué)、電子組件上。例如聲光調(diào)制器，可用在雷射唱盤之光學(xué)讀寫頭上，用來控制雷射光輸出之方向編輯ppt玻璃材料玻璃的主要成分為二氧化硅加上其他物質(zhì)，而石英則是純的二氧化硅；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(tài)類似液體的固體（可視為一種過冷液體），內(nèi)部原子排列并無一定的規(guī)則，而是混亂排列。而玻璃除了可作杯子、窗戶之外，玻璃纖維可用來制造光纖，供通訊之用

編輯ppt超導(dǎo)材料1911年，歐尼斯發(fā)現(xiàn)當(dāng)汞的溫度降到?269℃時(shí)，電阻會(huì)忽然間消失掉，這個(gè)超導(dǎo)現(xiàn)象同樣發(fā)生于錫、鉛及其他金屬1957年科學(xué)家約翰巴登（Bardeen）、寇柏（Cooper）及休里夫（Schrieffer）才成功的以量子電子動(dòng)力學(xué)解釋超導(dǎo)性質(zhì)近年來，高溫超導(dǎo)也成為熱門的研究項(xiàng)目，而這些超導(dǎo)材料可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、核能工程以及磁浮列車等科技編輯ppt超導(dǎo)材料具有零電阻及磁浮等兩項(xiàng)特點(diǎn)。零電阻可減少電流傳遞之損失；而磁浮現(xiàn)象是因?yàn)槌瑢?dǎo)材料在其臨界溫度以下，磁力線無法穿透，只能從其旁邊經(jīng)過，因而將超導(dǎo)體托起而使其懸浮編輯ppt將超導(dǎo)材料制作成傳輸電力的電線，則可省下很多在傳遞過程中因?yàn)殡娮瓒鴵p失的電力將超導(dǎo)材料與磁鐵搭配應(yīng)用于高速鐵路，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(wěn)及更快速編輯ppt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，俗稱塑料，是屬于有機(jī)材料，主要來源是石化工業(yè)的產(chǎn)物加以合成，可分為一般塑料及工程塑料兩大類型聚合體的制成多半采用射出成型方式制造，而其外觀顏色則可藉由添加顏料或涂料而得之編輯ppt熱固型聚合體就是聚合體在加熱后會(huì)硬化熱塑型聚合體則加熱后會(huì)軟化聚合體包括塑料、人工橡膠及人造纖維等，是將有機(jī)單分子聚合而成。有機(jī)高分子材料不易破碎、質(zhì)輕、不導(dǎo)電、耐酸堿腐蝕及不耐溫，故可作為容器、衣物、電線外面之絕緣層及家用器具之外殼等由于聚合物不易分解，在過去曾經(jīng)被視為優(yōu)點(diǎn)，而今則被視為環(huán)保問題編輯ppt復(fù)合材料復(fù)合材料是由金屬、陶瓷、聚合體三種基本材料中，兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料合在一起而產(chǎn)生的一種新材料，為目前材料科學(xué)研究之主流復(fù)合材料內(nèi)部可以分為強(qiáng)化材及基材。強(qiáng)化材之主要目的在提供強(qiáng)度，其形狀可為纖維狀、顆粒狀或片狀；而基材之主要目的在于將強(qiáng)化材結(jié)合在一起，除了黏結(jié)效果外，另外有提供韌性及保護(hù)強(qiáng)化材之功用編輯ppt玻璃纖維復(fù)合材料為玻璃纖維所制之布加上熱熔樹脂，然后壓制而成，可用作人造衛(wèi)星、火箭之外殼，以及雷達(dá)罩（因其不反射電波）等碳纖維復(fù)合材料則為苯烯脂纖維加上其他材料制成。碳纖維復(fù)合材料質(zhì)輕，強(qiáng)度大，且耐高溫。在民生工業(yè)上常用作高級(jí)自行車架、網(wǎng)球拍、高爾夫球具之桿身等

編輯ppt半導(dǎo)體材料吾人可在半導(dǎo)體材料中添加適當(dāng)雜質(zhì)，使之變成P型（電洞數(shù)較多）或N型（電子數(shù)較多）之半導(dǎo)體，再將P型與N型半導(dǎo)體適當(dāng)排列組合，即可制成各式各樣的組件。而半導(dǎo)體材料一般分為：

四價(jià)半導(dǎo)體材料，如硅（Si）、鍺（Ge）等。硅材料常用來制造計(jì)算機(jī)及家電產(chǎn)品的集成電路，也可做成傳感器

三五族半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。電子與電洞在三五族半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)速度較快，因此三五族半導(dǎo)體也常用作高速電子組件，但是其積體化效果較差

二六族半導(dǎo)體材料等三五族半導(dǎo)體及二六族半導(dǎo)體材料因?yàn)闀?huì)發(fā)光，所以常用來制造雷射二極管、發(fā)光二極管、光傳感器等光電組件編輯ppt晶圓放大圖編輯ppt奈米科技奈米(nanometer,nm)是長(zhǎng)度的一個(gè)單位，約莫為四個(gè)氮原子串聯(lián)起來的長(zhǎng)度。1nm=10-9m1990年IBM實(shí)驗(yàn)室的研究員伊格（Eigler）利用STM在超高真空和極低溫的條件下，在鎳基板上操縱35個(gè)氙（Xenon）原子而成功排列成“

I-B-M”

三個(gè)英文字母。同年7月，第一屆國(guó)際奈米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩港市（Baltimore）舉行，此為奈米科技正式獨(dú)立成為一門學(xué)科的里程碑編輯ppt物質(zhì)在微小的尺寸下，其特殊之奈米結(jié)構(gòu)會(huì)改變物質(zhì)之基本物理化學(xué)性質(zhì)，例如力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電性質(zhì)、磁性質(zhì)、熱性質(zhì)、表面性質(zhì)等方面，皆會(huì)在奈米尺寸下展現(xiàn)出不同于大尺寸世界之特性例如一般的金塊是金色，且化學(xué)活性??；然而當(dāng)其尺寸縮小至奈米尺寸時(shí)，顏色會(huì)從金色變?yōu)轷r紅色，且化學(xué)活性變大，其顏色變化可用于驗(yàn)孕試劑或其他醫(yī)學(xué)疾病之篩檢編輯ppt奈米科技在食的應(yīng)用奈米化陶瓷復(fù)合材料所發(fā)射的遠(yuǎn)紅外線具有食物保鮮之功能，將其做成盤子或做成編織物覆蓋于食物上，皆可達(dá)保鮮之功效奈米鈦涂料具有自潔性，將其涂布于裝盛飲水或食物之容器表面，可減少結(jié)垢之發(fā)生編輯ppt奈米科技在衣的應(yīng)用奈米化纖維可使紡織品光澤優(yōu)雅，質(zhì)感細(xì)致，而其奈米結(jié)構(gòu)具自潔之功能，一旦被油污沾染時(shí)，用一般清水即可洗滌干凈，因此搏得「奈米免洗衣服」之稱衣服纖維中添加奈米級(jí)二氧化鈦或氧化鋅等無機(jī)粉體材料時(shí)，可吸收陽光中之紫外線，使紫外線對(duì)衣服之穿透率降至小于1%，大大減少紫外線對(duì)人體之傷害奈米物質(zhì)遠(yuǎn)紅外線纖維具有吸濕排汗之功能，可防止穿于腳上的襪子發(fā)生變濕發(fā)臭等擾人問題編輯ppt金屬銀的奈米粒子會(huì)使細(xì)菌的DNA失去復(fù)制蛋白質(zhì)的能力，而且銀離子也會(huì)與蛋白質(zhì)上的某些官能基形成鍵結(jié)，因而使蛋白質(zhì)受損Sondi等人于2004年曾使用自行合成的奈米銀粒子做為抗菌劑，測(cè)試它對(duì)大腸桿菌的抗菌效果，研究結(jié)果顯示與奈米銀接觸的大腸桿菌，細(xì)胞壁上產(chǎn)生了許多小孔洞，奈米銀粒子則累積在細(xì)胞壁上，細(xì)胞壁形成孔洞之后會(huì)使得細(xì)胞壁的透過度顯著增加，最后造成細(xì)胞的死亡編輯ppt奈米科技在住的應(yīng)用奈米化建材或涂料可具有防水、防火、自潔、質(zhì)輕、環(huán)保、耐震及高強(qiáng)度等特性奈米光觸媒的涼風(fēng)扇、冷氣機(jī)及空氣清凈機(jī)等電器，由于奈米化顆粒的高化學(xué)活性，可增強(qiáng)光分解反應(yīng)之效益，因此其凈化空氣、除臭、殺菌或抑菌等清潔功能極為優(yōu)異編輯ppt將衛(wèi)浴設(shè)備之表面鍍有奈米級(jí)的涂料顆粒時(shí)，運(yùn)用奈米材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)某煞终{(diào)配及燒烤處理步驟，讓瓷釉表面形成細(xì)致的奈米接口結(jié)構(gòu)，達(dá)到蓮花出淤泥而不染的蓮花效應(yīng)（LotusEffect），使污垢無法附著于上，所以水一沖即可將臟污去除干凈（沖洗后）污物完全無殘留（沖洗中）洗凈力超強(qiáng)（沖洗前）污物無法沾附呈水珠狀（蓮花效應(yīng)）編輯ppt將奈米二氧化鈦光觸媒涂布于建筑物之外觀，會(huì)因?yàn)殛柟猓ㄗ贤饩€）之照射而產(chǎn)生自潔之效應(yīng)，不必人工清洗在污水處理方面，加入奈米級(jí)凈水劑，由于其具有高表面積，可有效吸附污水中之污染物；奈米微氣泡技術(shù)突破傳統(tǒng)水處理技術(shù)，可大幅提升污水處理速率及效能編輯ppt油垢變成黏合劑，黏住粉塵污垢并沾染于大樓外壁油垢粉塵被分解后，再被雨水沖刷掉紫外線照射光觸媒，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)分解污垢雨涂裝光觸媒油污粉塵編輯ppt奈米科技在行的應(yīng)用奈米復(fù)合材料之使用，可使車體重量減輕、強(qiáng)度增強(qiáng)、抗熱、耐腐蝕橡膠輪胎若摻入奈米碳顆粒，可增加輪胎之耐磨性與抗老化性，使輪胎壽命大增編輯ppt在汽機(jī)車排放廢氣處理方面，奈米化之化學(xué)反應(yīng)催化劑，由于具有極高比表面積，故具較強(qiáng)之催化活性，可在短時(shí)間內(nèi)將廢氣處理轉(zhuǎn)換成不具毒性的氣體奈米金粒子催化劑可將一氧化碳轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳，將氮氧化物還原成氮?dú)饧把鯕?，催化水煤氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)及加速臭氧的分解二氧化鈦奈米顆粒更是成熟的光觸媒，可應(yīng)用于廢氣處理及空氣清凈方面編輯ppt奈米能源技術(shù)的開發(fā)，可使人類免于依賴日漸枯竭的石油。例如以奈米觸媒技術(shù)將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能，再將電能將水分解，產(chǎn)生繼石油之后無污染的新能源—?dú)錃?，而奈米碳管則是具有高儲(chǔ)氫能力之材料編輯ppt奈米科技在育的應(yīng)用奈米高密度磁記錄材料可增加記憶儲(chǔ)存容量達(dá)傳統(tǒng)磁材的數(shù)十倍，而奈米光盤的超大容量更可達(dá)一般光盤容量的百萬倍，且能增加數(shù)據(jù)保存效能奈米技術(shù)不但可加速計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)算處理速度，更可加強(qiáng)省電效益在印刷技術(shù)方面，奈米科技之導(dǎo)入可大幅改善油墨質(zhì)地及印材設(shè)備，具有極細(xì)致、精確的高質(zhì)量色彩印刷。一般紙張加入特殊奈米涂劑時(shí)，具有防水防油之功能，可延長(zhǎng)書籍之壽命編輯ppt奈米科技在樂的應(yīng)用將奈米制程技術(shù)用于手機(jī)通訊芯