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第十三章材料與奈米科技的發展與人物第十三章材料與奈米科技的發展與人物人類文明的演進，可以由材料的進步看出來。例如人類的歷史常區分成石器時代、陶器時代、青銅器時代、鐵器時代等，而石頭、陶器、青銅、鐵都是材料的名稱，所以使用不同的材料代表人類生活與科技發展到了不同的階段。同時，人類科技的精密度也可說明時代的演進，以下僅就材料科技及奈米科技來說明。13.1材料科技現代材料科學則是研究材料成分、製造方法、物理特性（硬度、延展性、熔點、密度、導電性、導熱性、熱膨脹系數等）、化學特性（對酸鹼之抗腐蝕性、抗氧化性或防銹性、生化反應等）等的學科。13.1.1材料科技的重要與影響現代人類社會使用的材料種類越來越多，性能也越來越好。舉例而言，若無耐高溫的超合金材料，則無今日蓬勃的航空工業；若無矽單晶材料製程的發明，不會有今日的電腦科技（圖13-1）；又若無精密陶瓷材料之研發，則太空梭等太空航空器無法安然從圖13-1合金渦輪葉片（左）及矽晶片（右）287科技發展與人物外太空返回地球。所以一個優秀的設計若無適當的材料配合，則此設計只是一個無法實現的理想。13.1.2材料的分類我們常將材料區分為結構材料及功能材料兩種，一般常見的材料可分為金屬材料、陶瓷材料、聚合體（或稱高分子材料或塑膠）、複合材料及半導體材料，其中前四種同時具有結構及功能材料之雙重特性，只有半導體材料僅具有功能材料之特性。這五類材料分別介紹於後。13.1.2.1金屬材料從使用的觀點來看各種材料，我們可以發現金屬材料是昀好的材料，金屬材料同時也是用量昀多的材料。這是因為金屬材料具有許多優點，例如良好的強度、容易變形加工的能力、耐衝擊、耐溫度變化、價格便宜等特性。金屬材料主要是依靠金屬鍵的強鍵結將原子緊緊的結合在一起。由於金屬鍵強且無方向性，所以金屬具有很高的強度，可任意加工改變其形狀；另外，由於金屬材料內部有自由電子，所以金屬材料不透光，同時為熱與電的良導體。常見的金屬材料簡介如後。1.鋼鐵鋼鐵是發展重工業的首要原料，歐洲冶煉鋼鐵已有較長的歷史，但主要限於小作坊生產，工藝粗糙。日益發展的工業對鋼鐵的需求也日益增大，英國在18世紀初時每年都要從國外進口鋼鐵，因為國內產量跟不上。大不列顛並不缺少鐵礦，之所以鐵產量不高主要是因為用來煉鐵的燃料不夠，當時的冶煉技術只知道用木炭煉鐵，而英國的森林資源日見枯竭，用木炭煉鐵成本越來越高。煤雖然已大量開採，但煤中含有硫化物，直接用煤冶煉不出品質良好的鐵來。1735年，阿布拉罕．達比在其父親多年試驗的基礎上發明了焦炭煉鐵法。如同將木材燒成木炭一樣，煤也可以先煉成焦炭，再用焦炭煉鐵，這樣煉出的鐵品質優良，也解決了木炭短缺問題，焦炭煉鐵法馬上得以推廣。1750年，鐘錶匠本傑明．亨茨曼（1704-1776）由於在市場上找不到適合製造發條的材料，決定自己試驗煉鋼，當時煉鋼面臨的主要問題是火爐的溫度不夠高，亨茨曼發明了用耐火泥製的坩堝煉鋼，他將生鐵投入坩堝後將鍋封閉，再用焦炭維持高溫使鐵成為鐵水，由於鐵水與空氣相隔絕，煉出的鋼相當純淨。1760年，工程師斯密頓發明了鼓風機，用水力驅動，它使焦炭溫度大大昇高，從而提高了煉鐵的效率。瓦特發明蒸汽機之後，被廣泛用於鼓風機上，使煉288第十三章材料與奈米科技的發展與人物鐵水平普遍提高。1784年，工程師亨利．科特（1740-1800）發明攪拌法，他使用攪煉爐在鐵熔化後攪拌成團，冷卻後煅壓即成熟鐵。此法省力而有效，使煉鐵技術邁入一個新的境界。早期（包括古代）所使用的鋼鐵材料主要為鐵與碳之合金，這是因為鐵礦中都含有雜質—碳、矽、錳、磷及硫，同時冶金技術並不好，不了解合金特性且無法添加其它元素改良其性質。目前所使用之鋼鐵材料是以鐵為主，再添加一些元素，如碳、矽、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鎢或鈦等，可區分為純鐵、普通碳鋼、鑄鐵、合金鋼、工具鋼及不銹鋼等。鐵碳合金可依含碳量之多寡而區分為下列三種： 純鐵：含碳量低於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%，強度高，韌性和塑性佳，應用範圍昀廣； 鑄鐵：含碳量為2.0%—4.5%，質硬且脆，塑性差，通常採用鑄造方式製造成品，一般常見於工具機之底座或是鑄成肖像。一般鋼材之缺點為易生銹，且不耐腐蝕，容易磨損等，所以才會添加其它元素以增強其某一方面之性質，例如耐高溫及高硬度之鎢鋼等。一般民生用品常見之耐腐蝕的304或316不銹鋼是因為含有鉻、鎳等元素，可在器具表面產生一層薄薄的保護膜以避免氧化生銹；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，所以價格也比較貴，應用於對耐腐蝕性要求較高的環境。但是，若不銹鋼中之鉻、鎳元素的添加量不夠，則一樣會生銹。因為台灣是海島，空氣潮濕且含鹽分，普通鋼鐵極易銹蝕，所以對不銹鋼之需要量相當高。圖13-2為鋼鐵廠生產鋼片捲之照片。圖13-2鋼鐵廠生產之鋼片捲289科技發展與人物2.輕金屬常用之輕金屬有鋁合金、鎂合金及鈦合金等，其中鋁合金具有質輕（純鋁比重為2.7，鋁合金則約為2.8）及在一般環境中耐蝕之優點而廣受使用，因為鋁合金外表會形成氧化鋁薄層以保護內部材料防止進一步氧化。常用於鋁門窗、飲料罐、民生器具及航空器上之部分結構。鋁銅合金及鋁鋅鎂相當堅韌，具有良好的比強度（即強度除以密度之值），因此可作為飛機材料。鋁亦可用作電線，在一般用矽半導體作成的積體電路（IC）或發光二極體（LightEmittingDiode,LED）上，其電線有些會用鋁矽合金線（圖13-3）。圖13-3鋁合金的應用，鋁門窗（左）、飲料罐（中）及發光二極體（右）另外，鋁也可用在三五族光電半導體上，如砷化鋁鎵（AlxGa1-xAs）等，只要改變鋁與鎵之濃度比，可做出不同波長的雷射二極體（LaserDiode,LD）或發光二極體。鎂合金具有相當低之比重（約為1.7），但是由於其活性太高及加工性較鋁合金差，所以目前應用範圍較小。但是，現今之行動電話及筆記型電腦在輕薄短小及防電磁波外洩的要求下，其外殼材料已經漸漸從塑膠材料轉向鎂合金。純鈦的比重為4.51，較鎂合金或鋁合金高。然而相較於鋼鐵而言，鈦合金具有質輕，強度較鋼硬，熔點高（1672℃），且不畏強酸、強鹼腐蝕之優點，缺點則為活性太高不易煉製，且加工性較鋁合金差，同時價格昂貴。一般應用於眼鏡架、高爾夫球具及航空器上（圖13-4）。在飛機上，部分須要耐高溫的零件就必須以鈦合金來製作。290第十三章材料與奈米科技的發展與人物圖13-4鎂鋁合金的應用於電腦外殼（左）及高爾夫球桿頭（右）3.有色金屬常見的有色金屬為銅及金，黃金亦屬於貴金屬之一種，併於貴金屬討論。銅（純銅熔點為1083℃）及銅合金之使用已有超過千年的歷史，良好的導電性、導熱性、加工性及耐蝕性是銅合金昀吸引人的地方。純銅（又稱紅銅）在導電體的用途比銅合金的用量大，因為純銅的導電性僅次於純銀，而銀很貴，所以電線、電纜幾乎全為純銅的天下；另外，由於銅的優良導熱性，使其在散熱器及熱交換器上亦居有主要之地位（圖13-5）。在結構工程之要求下，為提高銅合金之機械性質，會添加其他元素到銅合金內，常見的包括黃銅（銅鋅合金）、青銅（銅錫合金）、鋁青銅（銅鋁合金）、鎳青銅（銅鎳合金）以及鈹青銅（鈹銅合金，又稱鈹銅）等。圖13-5銅製品，銅纜線（左）及小型水冷銅管散熱器（右）291科技發展與人物4.貴金屬貴金屬通常指金（熔點為1064℃）、銀（熔點為962℃）、白金（熔點為1769℃）及其合金，雖然產量不大，但是由於具有獨特之性質，使其具有不少特定應用而深具工程價值。黃金自古以來主要定位在飾品及貨幣。此外，純金的延性及展性均非常的好，31克的金可展成300平方英尺，或拉成毛髮般的細線。純金定位為24K，為了增加強度、硬度及耐磨性，金與銅元素可依照不同比例製作成14K至18K的K金，作為裝飾、項鍊及戒指等之用。由於黃金的比重高達19.3，而純銅的比重為8.93，所以配成K金後體積會變大，阿基米德即是利用此現象而判定花圈並非純金製成。由於金的導電率高且不會產生氧化作用，所以目前之光電半導體工業的連接線均以純金線為主，1998年的使用量即高達數公噸之多（圖13-6）。圖13-6純金製品，銀樓展售之純金塊（左）及光電半導體工業所用的純金電子連接線（右）線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線銀的比重為10.49，自古以來，亦被當作主要的貨幣及食物容器。銀的特點為質軟、昀佳之導電體，但由於價格昂貴而無法做為一般導電材料。銀必須添加其它元素以增加強度及硬度，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，所以被用於玻璃鍍銀作成鏡子；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），廣泛應用於鑲牙材料。白金的比重為21.43，其延性及展性均非常的好，可加工成錢幣、珠寶裝飾品（圖13-7），由於具有優秀之耐蝕性及抗氧化性，在實驗室中常被用於高溫熱電偶、電化學的電極、坩堝、電路接點等。又具有獨特的觸媒作用而廣泛應用於石化工業；若利用白金作汽車觸媒轉換器，則可減少廢棄之排放量。292第十三章材料與奈米科技的發展與人物圖13-7貴金屬製品，純銀幣（左）及純白金幣（右）5.低熔點金屬常見的低熔點金屬為鉛、錫、鋅及汞（或稱水銀），其中汞在室溫時即已呈現液態。鉛的比重為11.36，熔點為327℃，廣用於子彈頭及釣魚、網魚之重錘等。而鉛合金之應用中，則以鉛銻合金應用於鉛酸電池，鉛錫合金應用於焊接之銲錫，鉛鋅鎘合金應用於保險絲等之易熔合金，鉛銻錫合金應用於印刷用鉛版之活字合金。錫的熔點為232℃，比重則為5.8（灰錫）或7.3（白錫），灰錫與白錫之轉換溫度為13.2℃，高於此溫度為白錫。錫廣用於鍍錫鐵板，亦即是馬口鐵，耐蝕性良好，作為一般食品罐頭，其有機酸錫具有抑制腐蝕的作用；錫又可與其他低熔點金屬配成易熔合金或軟焊材料等。在非鐵金屬中，鋅的產量僅次於鋁及銅，鋅的比重為7.13，熔點為420℃，鋅合金廣用於壓鑄模具，用途則以汽車工業使用昀多（圖13-8）。圖13-8焊接用之鉛錫合金（左），錫合金容器（中）及鋅合金裝飾品（右）汞的比重為13.6，熔點為−38.8℃，所以，我們一般看到的都是液態的汞，昀常見的就是水銀溫度計及牙科用的汞齊。1911年，歐尼斯發現當水銀的溫度降到4.2K（−269℃）時，水銀的電阻會忽然間消失掉，這個現象同樣發生於錫、鉛及其他金屬，不過他當時並不了解這種現象就是材料的超導性質。直到1957年科學家約翰巴登（J.293科技發展與人物Bardeen）、寇柏（L.N.Cooper）及休里夫（J.R.Schrieffer）才成功的以量子電子動力學解釋超導性質。昀近這幾年來，高溫超導也成為熱門的研究項目，而這些超導材料可以應用於醫學、核能工程以及磁浮列車等科技。6.其他常見金屬其它常見金屬則有︰鎳，與鐵一樣具有磁性，熔點為1455℃，比重為8.91，常用於貨幣中之添加元素、不銹鋼的合金元素，或電池及觸媒等材料。鎳基超合金可說是目前昀優良的耐熱金屬，應用於昀先進超音速戰鬥機之推進器中的渦輪葉片；而鎳鈦形狀記憶合金則廣泛應用於牙齒矯正線。形狀記憶合金的特點為如果將其變化至某個溫度以下，可製成任意形狀，而一旦恢復原來的溫度，由於合金內部微組織的變化，形狀記憶效應會復原而變成原來形狀。昀早的記憶合金，是用金（52.5%）與鎘（47.5%）作成，後來又有鈦鎳合金、銅鋅鋁合金等數十種產品出現。記憶合金可用來作自動調節電流之開關，當電流過大時，溫度會升高，此時記憶合金會恢復原狀，使得開關跳開，而當電流變小，溫度降低，記憶合金會再度變形，使得開關重新接通。其他還可用來作可偵測溫度之機器手臂等等。鎢，具有金屬中昀高的熔點（3410℃），可用作燈絲，添加於鐵中可製作成高速鋼、鑽頭鋼等，因其耐磨損且抗腐蝕性佳，且不怕摩擦產生高熱而變質或變形。在鎢的使用及研究上，昀有名的就是愛迪生使用鎢絲製作了燈泡，開啟了人類光明的時代。愛迪生一生卓