機(jī)械應(yīng)用之特殊材料

1、=== 第12章 機(jī)械應(yīng)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(tǒng)上，陶瓷材料大多是以各種黏土為主要原料，經(jīng)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(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，以及較高的壓縮強(qiáng)度等。所以，陶瓷材料具有優(yōu)異的耐磨性

2、、耐熱性與良好的耐蝕性，但脆性限制了陶瓷材料應(yīng)用的領(lǐng)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(xué)鍵的不同。金屬材料的化學(xué)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(xué)鍵主要是離子鍵和共價鍵。這種化學(xué)鍵有很強(qiáng)的方向性和很高的結(jié)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(xué)穩(wěn)定性等特點。在日常生活

3、中，常用於製造電機(jī)與電子產(chǎn)品；在工業(yè)上，目前的陶瓷汽缸即是很好的應(yīng)用，如圖12-1 所示。然而此種化學(xué)鍵使得陶瓷很難產(chǎn)生塑性變形，脆性大且裂紋敏感性強(qiáng)。因此，陶瓷的韌化已成為目前研究領(lǐng)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(jié)晶陶瓷」與「非晶質(zhì)陶瓷」（即玻璃）兩種，另外近來發(fā)展出一種介於兩者之間的「玻璃陶瓷」，即是原來是非晶質(zhì)狀態(tài)，加以適當(dāng)控制使其產(chǎn)生結(jié)晶陶瓷的特性。,12-1 陶瓷材料,結(jié)晶陶瓷

4、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(jié)晶在室溫下稱之為α-石英（α-quartz）；在一大氣壓力下及573 ℃時轉(zhuǎn)變成β-石英（β-quartz）；在870℃時又轉(zhuǎn)變成β-鱗石英（β-tridymite）；在1470℃時再變成β-白矽石（β-cristobalite）；最後，在1713 ℃時熔化。,12-1 陶瓷材料,如表12-1所示

5、，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(fù)荷，通常以耐火泥細(xì)粉黏結(jié)氧化物顆粒，一般耐火磚含有20~25％的氣孔，以增進(jìn)絕熱性質(zhì)。,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(zhì)含量約在1wt%以下。主要用於電子工業(yè)上。ZrO2是陶瓷中作為構(gòu)造用材料的最佳材料，具有變態(tài)韌化的特點，可取代一些金屬材料的用途。,12-1 陶瓷材料,12-

6、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(dāng)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(huán)境。SiC 則不會有這項缺點，在1500 ℃以下，因為SiC 高溫氧化時會產(chǎn)生一層SiO2薄層保護(hù)SiC 不被進(jìn)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,1

7、2-1 陶瓷材料,最著名的非結(jié)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(chǎn)生結(jié)晶。二氧化矽的結(jié)晶原子構(gòu)造相當(dāng)複雜，若以較快速度冷卻時，就有可能使其來不及結(jié)晶而得到非結(jié)晶材料。此種非結(jié)晶氧化矽稱為?；酰╒itreous 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(jié)晶與非結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，平面上原子的排列情形。,12-1 陶瓷

8、材料,12-1 陶瓷材料,從圖12-2 中可知，非結(jié)晶結(jié)構(gòu)中只有短程規(guī)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(guī)律。熔矽氧具有極高的熔點，軟化溫度為1667℃且膨脹係數(shù)很?。?.5x10-7/℃），所以，耐高溫且耐熱衝擊（Thermal shock），可作為實驗設(shè)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

9、璃（Silicate glasses）。,12-1 陶瓷材料,玻璃陶瓷是將材料製成玻璃狀態(tài)，再經(jīng)低溫?zé)崽幚?，使其產(chǎn)生大量的結(jié)晶核粒；再於稍高溫處讓結(jié)晶核成長，最後，得到90%的結(jié)晶。其結(jié)晶晶粒均勻細(xì)緻約0.1~1μm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(tài)產(chǎn)生結(jié)晶時，容易在器壁上產(chǎn)生少許的孕核點而長成相當(dāng)大的晶體結(jié)構(gòu)，最後的微結(jié)構(gòu)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

10、劑，如TiO2、P2O5等，此種微細(xì)的孕核劑粒子密度可達(dá)1012個/mm3，可達(dá)到大量孕核之目的，得到均勻細(xì)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(zhì)與結(jié)晶陶瓷的本質(zhì)。,12-1 陶瓷材料,玻璃陶瓷具有比傳統(tǒng)陶瓷更佳的機(jī)械強(qiáng)度及更耐熱的衝擊能力，高強(qiáng)度是由於其內(nèi)部甚少有壓力集中的孔隙及微細(xì)均勻的細(xì)晶微結(jié)構(gòu)，而耐熱衝擊則在於其膨脹係數(shù)相當(dāng)?shù)?。如?2-4 所示，列出組成玻璃氧化物的熱膨脹係數(shù)。,12-1 陶瓷材料,1

11、2-2 高分子材料,高分子是指將分子量輕且低的液態(tài)有機(jī)物，經(jīng)過聚合反應(yīng)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(jī)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(nèi)部之小分子是以共價鍵為主要鍵結(jié)進(jìn)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(jié)加以連接。高分子材料中的

12、大分子主要是以碳為主，為一種有機(jī)材料，其主要來源為將石油化學(xué)工業(yè)中的副產(chǎn)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(chǎn)品，也可藉由填充物的加入而改變高分子材料的性質(zhì)（衝擊強(qiáng)度、疲勞性能、強(qiáng)硬度及耐熱耐蝕性等）。常見的產(chǎn)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(yīng)是利用

13、適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)將單體分子結(jié)合形成長鏈狀分子，以變成聚合物或高分子材料。聚化反應(yīng)可分為「聚合反應(yīng)」及「縮合反應(yīng)」兩種。,12-2 高分子材料,圖12-3 為聚合反應(yīng)的化學(xué)作用過程及其結(jié)果。由圖中可知，當(dāng)單體的分子接受適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力及觸媒的作用時，具有未飽和鏈的單體們會互相結(jié)合而形成長鏈分子。此種由小分子形成大分子的現(xiàn)象稱為聚合作用（Polymerization），單體產(chǎn)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

14、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(yīng)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(jīng)過聚合反應(yīng)後，主鏈分子變大，分子量也相對變大，硬度與強(qiáng)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(jīng)聚合反應(yīng)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

15、瓦爾力鍵或氫鍵，加入硫則可得到共價鍵，此二反應(yīng)將使得材料的硬度更為提高。,12-2 高分子材料,縮合反應(yīng)又稱為逐步成長（Step-growth），其原理係當(dāng)兩反應(yīng)物混合後，其生成物都具有二個作用基，可繼續(xù)將反應(yīng)物加入，且其生成物亦可繼續(xù)加入反應(yīng)。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-

16、2 高分子材料,經(jīng)過縮合反應(yīng)後，將生成聚合物及副產(chǎn)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(yīng)物可以繼續(xù)加入，或者生成物也可繼續(xù)加入反應(yīng)，而形成一個巨大分子，稱之為達(dá)克龍（Dacron）。基本上，縮合反應(yīng)的速度比聚合反應(yīng)慢，而且不會有終結(jié)階段，反應(yīng)時間再久一點時，則其分子就愈大?？s合反應(yīng)的副產(chǎn)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（Thermoplasti

17、c polymers）在加熱時，因大分子只靠次鍵結(jié)（凡得瓦力鍵結(jié)）來結(jié)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(dāng)溫度超過100℃後，即有很明顯的塑性流動現(xiàn)象，這是金屬鍵與次鍵結(jié)強(qiáng)度差異的緣故。,12-2 高分子材料,熱塑性的高分子材料一經(jīng)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

18、（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(qiáng)。其原因為熱固性高分子材料是一種立體網(wǎng)狀的分子結(jié)構(gòu)，高溫時將促使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更

19、加緊密，冷卻時網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。熱塑性高分子材料是結(jié)合小分子在一起而產(chǎn)生長鏈型聚合物；熱固性高分子間是以交聯(lián)的方式形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較大的強(qiáng)度，所以常用來製造機(jī)械零件，?？扇〈饘?，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

20、聚氰胺（Melamine）、環(huán)氧樹脂、酚類塑膠（Phenolics）、聚酯（Polyesters）、矽酯類塑膠（Silicones）及強(qiáng)化塑膠（Reinforcing plastics）等，如圖12-6 所示，為環(huán)氧樹脂與強(qiáng)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(dāng)受力時會產(chǎn)生大量的彈性變形；力量去除後，又完全恢復(fù)到原來的形狀。這類的彈性體，由於其長鏈的排列

21、很有規(guī)則，使得大分子形成捲曲狀態(tài)。在理想狀態(tài)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(guī)則狀態(tài)，即能量較低；力量放開時，分子鏈又恢復(fù)較高能量的捲曲狀態(tài)。,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(chǎn)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(chǎn)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

22、很少，一般都經(jīng)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(nèi)，在100~150℃加熱而成形之操作。如果橡膠內(nèi)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(nèi)外胎、橡膠管、雨衣、襯墊及橡皮擦等。若橡膠內(nèi)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

23、優(yōu)良，製品有梳子、牙科材料、鋼筆軸、電絕緣零件及耐化學(xué)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(fā)生硬化現(xiàn)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(jī)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(qiáng)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

24、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(jī)滾筒、氣體導(dǎo)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(yōu)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(zhì)比原來的兩種原料更優(yōu)秀，例

25、如：更堅韌、更牢固、更耐用等?，F(xiàn)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(qiáng)度，以及不會被雷達(dá)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(jīng)混合及被重新排列形成的新結(jié)構(gòu)（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

26、料內(nèi)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(qiáng)度，如圖12-8 所示。,12-3 複合材料,複合材料所使用的強(qiáng)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(qiáng)度比較強(qiáng)。再者，纖維形狀細(xì)長容易撓曲，而且大部分纖維都具有很高的強(qiáng)度及較低的比重，所以，纖維是最常用來作為複合材料的強(qiáng)化材。,12-3 複合材料,粒子形

27、狀的強(qiáng)化材，小者如微米以下，大者如砂石都是屬於此一領(lǐng)域。此種強(qiáng)化材料所構(gòu)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(zhì)經(jīng)過高溫熔化與冷卻後拉伸成型而成，其粗細(xì)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(qiáng)度、尺寸安定、低熱膨脹係數(shù)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(yè)產(chǎn)品中，用於製造碳纖維者為瀝

28、青與聚丙烯，主要原因是所得產(chǎn)品的性能最好，可用於航空工業(yè)、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(jī)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(xué)安定性佳、高彈性模數(shù)、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

29、，故可應(yīng)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(dǎo)電性佳、機(jī)械強(qiáng)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(chǎn)業(yè)中，如耐熱性的消防衣服（如圖12-11 所示）、防導(dǎo)電纖維及超耐熱合金強(qiáng)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

30、要的基材種類有橡膠、塑膠、金屬、陶瓷、混凝土、瀝青，用來生產(chǎn)複合材料的基材多是聚合物，這是因為它們質(zhì)輕、生產(chǎn)成本低、易於處理及塑造。由於熱固性聚合物（例如環(huán)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(zhì)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

31、生產(chǎn)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(qiáng)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(qiáng)化聚合材料，是最常見的複合材料。它的結(jié)構(gòu)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(qiáng)化。玻璃纖維是最先成功研製的現(xiàn)代複合材料，它是一種聚合物基複合材料，廣泛應(yīng)用於船身支架、儲存

32、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(qiáng)化纖維。它們在汽車工業(yè)上的應(yīng)用率愈來愈高，例如：密封墊片、油箱內(nèi)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(qiáng)化纖維。它們被應(yīng)用於高溫的作業(yè)環(huán)境中，例如

33、：鍋爐燃料管、熱交換器管等。,12-3 複合材料,建築房子時，技術(shù)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(nèi)，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(qiáng)化材，鋼筋提供抗拉強(qiáng)度，混凝土提供抗壓強(qiáng)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(qiáng)化材結(jié)合起來的材料稱為結(jié)合材或黏結(jié)劑。黏結(jié)劑是一種重要

34、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(jié)劑。現(xiàn)代的黏結(jié)劑依其使用方式可分為熱固性如環(huán)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(huán)氧樹脂為熱固性樹脂，當(dāng)主劑與硬化劑以一定比例適當(dāng)混合並聚合硬化後，形成了三度空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，給予產(chǎn)品特殊的物理性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)等。如圖12-13 所示，為環(huán)氧樹脂的黏度與溫度的關(guān)係。由圖中可知，當(dāng)溫度高至75℃左右時，

35、環(huán)氧樹脂的黏度將呈現(xiàn)漸趨穩(wěn)定的現(xiàn)象，大約為75CPS。,12-3 複合材料,環(huán)氧樹脂的用途很廣，若作為黏結(jié)劑則可用於金屬、木材、膠合玻璃、陶瓷、塑膠等的強(qiáng)力接著；亦可用於修補(bǔ)、填縫等工作，是最主要的黏結(jié)劑。,12-3 複合材料,尼龍是結(jié)晶性聚合物，醯胺基團(tuán)之間存在牢固的氫鍵，因而具有良好的力學(xué)性能。與金屬材料相比，雖然剛性遜於金屬，但比抗拉強(qiáng)度則是高於金屬，比抗壓強(qiáng)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(qiáng)度、耐衝

36、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(qiáng)化材之結(jié)合材。,12-3 複合材料,天然橡膠的分子量約為300,000，為質(zhì)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(nèi)外胎、雨衣雨鞋、地磚、橡皮管及黏結(jié)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(jié)合後的耐衝擊性；而加硫橡膠可配合其他添加劑，

37、提高複合材料結(jié)合後的強(qiáng)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(zhì)依照導(dǎo)電程度的難易，可大略分為三大類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介於容易導(dǎo)電的金屬導(dǎo)體和不易導(dǎo)電的絕緣體之間。在室溫條件下，熱能可將半導(dǎo)體物質(zhì)內(nèi)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(chǎn)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(fù)電，後者帶正電，因此半導(dǎo)體具有一定程度的導(dǎo)電性。如圖12-4 所

38、示，為半導(dǎo)體的應(yīng)用。,12-4 電子材料,12-4 電子材料,目前構(gòu)成半導(dǎo)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(zhì)者，稱為本質(zhì)半導(dǎo)體，如表12-6 所示。,12-4 電子材料,12-4 電子材料,電子在本質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)的能階狀況，可用圖12-15 來加以說明。在高能量的傳導(dǎo)帶內(nèi)（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(dǎo)帶內(nèi)。最低能區(qū)（Ev以下）稱為「價帶」，被共價鍵束

39、縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內(nèi)。傳導(dǎo)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(zhì)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(qū)的價帶，價帶完全被價電子佔滿，而傳導(dǎo)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

40、己的能量進(jìn)入傳導(dǎo)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(dǎo)體為例，能隙Eg為1.1eV，其中1 電子伏（eV）的定義為當(dāng)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(dāng)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(shù)量也越多。因此，本質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性遂因溫度的升高而增大。應(yīng)用在科技產(chǎn)業(yè)上的半導(dǎo)體其能隙< 4eV，

41、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(dāng)半導(dǎo)體材料摻入雜質(zhì)後，稱之為異質(zhì)半導(dǎo)體。此類半導(dǎo)體可分為n 型與p 型兩種型式。,我們再以矽半導(dǎo)體為例，來探討雜質(zhì)的摻入對於半導(dǎo)體導(dǎo)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(nèi)，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(jié)構(gòu)內(nèi)受到的束縛力非常薄弱，在室溫時即已絕大部分游

42、離而成自由電子。,12-4 電子材料,這類五價元素?fù)诫s在矽晶內(nèi)因為可提供較多的自由電子，所以稱為施體（Donor），其能階ED非?？拷鼈鲗?dǎo)帶，如圖12-17 所示。在導(dǎo)體中，自由電子佔大多數(shù)，故稱為多數(shù)載子，當(dāng)電子受激發(fā)後，自Donor state 跳到傳導(dǎo)帶，並在Donor state 留下電洞，這種半導(dǎo)體稱為n 型半導(dǎo)體。一般n型半導(dǎo)體內(nèi)的電子數(shù)量遠(yuǎn)比電洞為多，是構(gòu)成電流傳導(dǎo)的主要載子。,12-4 電子材料,12-4 電子材料

43、,同理，我們?nèi)鐚⑷齼r元素，如硼（B）等摻入四價的矽晶體內(nèi)，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(fā)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(fù)電。這種半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體，其費米能階EA比較靠近價帶。p 型半導(dǎo)體內(nèi)的電洞數(shù)量遠(yuǎn)比電子為多，是電流傳導(dǎo)的主要載

44、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(xì)線從中間懸掛起來，讓它自由轉(zhuǎn)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(zhì)放在不均勻的磁場中受到磁力作用所產(chǎn)生的特性。在相同的不均勻磁場中，依單位質(zhì)量物質(zhì)所受到的磁力方

45、向與強(qiáng)度，可確定物質(zhì)磁性的強(qiáng)弱。,12-5 磁性材料,一般來說，物質(zhì)的磁性可以分為弱磁性與強(qiáng)磁性，再依據(jù)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(qiáng)磁性又可分為鐵磁性與亞鐵磁性。這些都是物質(zhì)的原子中電子產(chǎn)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(zhì)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(zhì)量遠(yuǎn)高於電子質(zhì)量之故。原子核磁性有其重要的應(yīng)用，例如：醫(yī)

46、學(xué)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(dá)成的。,12-5 磁性材料,在元素週期表的元素中，F(xiàn)e、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(xiàn)象。Fe、Co、Ni 這三個元素和稀土族元素互相結(jié)合，或與其他不具鐵磁性表現(xiàn)的元素互相結(jié)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(jī)上的讀寫頭即為此類合金的應(yīng)用。當(dāng)磁頭下的磁碟

47、旋轉(zhuǎn)時，一股電流使磁頭產(chǎn)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(zhuǎn)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3~5%矽所成的合金，經(jīng)適當(dāng)?shù)难u程後，在電氣應(yīng)用上極為有用，如馬達(dá)及發(fā)電機(jī)。,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。

48、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(chǎn)生的非晶質(zhì)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(chǎn)，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(xiàn)象使得磁區(qū)非常容易移動，因此在高電阻下，其渦電流損失也可達(dá)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Fe2

49、O3 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(jī)上。石榴石中加入釔或鎵後，可形成細(xì)小磁區(qū)，可用於電腦的儲存單元，這些磁區(qū)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(qiáng)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(yè)上最重要的金屬磁體常指強(qiáng)磁性的

50、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(shù)上應(yīng)用很廣，不同的磁性材料導(dǎo)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(jù)它的磁滯曲線來決定。根據(jù)磁滯曲線的不同，可以將鐵磁性材料區(qū)分為軟磁材

51、料及硬磁材料，磁滯現(xiàn)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(yīng)強(qiáng)度，H軸為磁場強(qiáng)度。在開始時，材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B會隨磁場強(qiáng)度H的增加而增加（如1曲線所示），當(dāng)H達(dá)到一定的強(qiáng)度後，B 不再隨H 的增強(qiáng)而增加，這時磁化已達(dá)飽和（a 點處），磁感應(yīng)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

52、。此時，對應(yīng)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(dāng)H降至零時，磁感應(yīng)強(qiáng)度並不等於零而是保留了一定的大小Br，這就是鐵磁質(zhì)的剩磁現(xiàn)象。要使B繼續(xù)減小，必須通入反向電流及反向磁場。,12-5 磁性材料,當(dāng)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(tài)的能力。如果再增強(qiáng)反方向的磁場，又可達(dá)到反方向的飽和狀態(tài)（d 點）。之後，再逐漸減小反方向的磁場

53、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(yīng)強(qiáng)度B值的變化總是落後磁場強(qiáng)度H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯，是鐵磁質(zhì)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(dǎo)率大，矯頑力?。℉c < 100 安／米），磁滯損耗低，它的磁滯曲線呈細(xì)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

54、器、電磁鐵、電機(jī)零件及小型直流電動機(jī)中的轉(zhuǎn)子等。,12-5 磁性材料,12-5 磁性材料,碳鋼、合金鋼等材料一經(jīng)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(qiáng)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

55、器、耳機(jī)、小型無刷馬達(dá)中的定子（如圖12-23所示）及雷達(dá)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(zhì)很多，但是陶瓷磁體具有強(qiáng)大的磁場、極高的電阻係數(shù)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(shè)計出不同性質(zhì)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(dá)等，前景十分看好。,12

56、-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(fā)性的磁化效應(yīng)。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(dāng)一陶瓷磁體材料受到外加磁場的作用時，材料內(nèi)部結(jié)晶顆粒會產(chǎn)生極強(qiáng)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?qū)㈦S外加磁場的方向改變而改變。,12-5 磁性材料,傳統(tǒng)商業(yè)化的陶瓷磁體

57、是陶磁性的材料。在高頻率的產(chǎn)品使用上經(jīng)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)用於馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、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(yīng)用，主要可分為介電材料、液晶材料、光纖材料、透明材料與發(fā)光材料等，茲簡介如下：,介電材料（Dielectricmateria

58、l）：具有很高的電阻係數(shù)，是一種絕緣體不會導(dǎo)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(dāng)電容器兩導(dǎo)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(nèi)所含的質(zhì)子與電子將離開正常位置產(chǎn)生極化，可阻隔電子由一導(dǎo)板通過它到另一導(dǎo)板，並使電能儲存在介電材料內(nèi)，如圖12-24 所示。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,所謂極化係當(dāng)介電材料受電場作用時，介電材料內(nèi)產(chǎn)生不平衡電荷的原子或原子團(tuán)

59、，結(jié)果材料內(nèi)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(shù)（Dielectric Constant），以符號εr表示。在施加電壓後，理想的介電材料將立刻產(chǎn)生電荷與極化，提高材料的介電常數(shù)。所以，介電常數(shù)與電容成正比。真空之介電常數(shù)ε0 為1，其他材料之介電常數(shù)乃是與ε0 之比值。在可變電容器中，陶瓷（Ceramic）及雲(yún)母（Mica）為最常用的介電材料，陶瓷的介電常數(shù)大於1200 屬於高介電常數(shù)材料，如圖12-

60、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(zhì)，液晶的組成物質(zhì)是一種有機(jī)化合物，也就是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。在有機(jī)化合物中，約數(shù)百種的有機(jī)化合物中就有一種具液晶的特性。在物質(zhì)的三態(tài)中，液晶是介於固態(tài)和液態(tài)之間，同時具有固體物質(zhì)的晶體順序性與液體物質(zhì)的流動性，故也稱為中間相物質(zhì)。,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

61、的光折射率、介電常數(shù)、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(yīng)用上，均是利用液晶分子受外界刺激後，分子的配列發(fā)生變化，使其光學(xué)或電氣特性也跟著變化，常應(yīng)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(tài)和液態(tài)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(jié)構(gòu)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(guān)。其原理是利用上下電極通電後，

62、電場產(chǎn)生變化使得液晶分子因介電異方向性與導(dǎo)電異方向性而出現(xiàn)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(chǎn)生不同之穿透度，再配合配向膜與偏光板之作用，即可產(chǎn)生光線開與關(guān)（ON-OFF）之變化。,12-6 光電材料,12-6 光電材料,目前應(yīng)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

63、廣泛應(yīng)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(dá)到LCD之低電壓驅(qū)動、高速化等要求，故液晶材料配方中常需混合10~20 種的不同液晶材料，才可達(dá)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(xì)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?！腹饫w」的主要功用就是傳輸

64、「光波」，因為「光波」在空氣中傳送都是沿直線進(jìn)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(jù)「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(nèi)壁就像一條周圍都是鏡子的管線，一旦光線進(jìn)入這條管子，它再也跑不出來，只有乖乖地從進(jìn)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(jìn)入「光纖」，或多或少的還是會從「光纖」內(nèi)部漏出來，品質(zhì)較好者，漏

65、出的光量會較少；塑膠做的光纖，價格較低廉，可用在照明設(shè)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(wǎng)路等應(yīng)用上。,12-6 光電材料,光在傳播之時，若經(jīng)兩個不同「介質(zhì)」的介面，由於介質(zhì)傳遞光的速度不同，就會產(chǎn)生「折射」，猶如插入水中的筷子折斷一般。當(dāng)光從傳遞速度慢的介質(zhì)到傳遞速度快的介質(zhì)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

66、」。,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(xiàn)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(xiàn)象。在這裡我們要介紹一個光纖上常用的專

67、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(zhì)中傳遞速度的比值稱之為該介質(zhì)的「折射率」。,12-6 光電材料,換言之，光從「折射率」大的介質(zhì)到「折射率」小的介質(zhì)，會產(chǎn)生「全反射」現(xiàn)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(xiàn)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

68、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(jié)構(gòu)為圓形且細(xì)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(xué)腐蝕的包覆層。因為「光纖」是屬於介質(zhì)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(shù)個「微米」（百萬分之一米）至數(shù)十「微