材料与奈米科技的发展与人物.pptx

第十三章材料与奈米科技的发展与人物 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）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 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 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 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 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 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 青铜器贵重金属金、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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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晶圆放大图奈米科技 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=10-9m 1990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 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 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 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 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 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 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（Lotus Effect），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）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 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 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 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 奈米科技在乐的应用 将奈米制程技术用于手机通讯芯片，可使通讯影音传输质量更快、更清晰细致，且功能更多元化 奈米碳管可应用于场发射显示器（FED），其成本相当于以往传统映像管电视（CRT）之价格，但其影像显示质量却媲美高画质数字电视（HDTV）之高解析画质，并兼具重量轻、强度强而厚度薄之优势，甚至可做成纸片形式，便于卷曲收藏及携带 奈米化之电池隔离膜可大幅提升化学电解反应之效益，进而提供高容量之电池电力，用以延长手机、数字相机、数字摄影机、笔记本电脑或其他机器之待机使用时间 奈米化金属粉末对电磁波之吸收特性，可作为手机辐射屏蔽之用 奈米科技在医疗美容的应用 医学检验方面，奈米生医芯片可取代传统繁杂人工检验步骤，并可使检验平台微小化 奈米金粒子可利用其特殊的颜色变化来做验孕、药物成瘾、肝炎、艾滋病毒及梅毒等之筛检 在疾病治疗方面，奈米医药不易使细菌产生抗药性，可逐渐取代目前之抗生素 奈米技术可做定位给药、显微注射，用以消除人体内之癌细胞、病毒或细菌。例如以糖衣包裹的奈米氧化铁粒子，可躲过免疫细胞的吞噬而进入肿瘤组织，利用交换磁场技术而使氧化铁停留于欲作用位置，藉由携带进入的药物将肿瘤癌细胞杀死 具足球状奈米结构的碳六十，可快速吸引艾滋病毒而与之结合，藉此用以减低病毒毒素，并阻止病毒之扩散，可提供治疗艾滋病的另一方向 美容方面，奈米化妆品或药物之颗粒较传统大颗粒更容易渗透皮肤，可顺利到达欲作用之部位，因而加速疗效及降低药物剂量 奈米氧化锌粉末用于美容美发护理剂时，可吸收紫外线，避免紫外线辐射造成的皮肤伤害，且具渗透及修复功能