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第三節非金屬材料的發展學習重點•應用科學的發展•陶瓷、塑膠與人造纖維技術•工業加速發展的因素•資源危機與環保問題應用科學的發展十九世紀以後，人類對自然科學的知識有更進一步的認識，並試圖將這些知識應用在生活上面電學的發展•義大利物理學家伏特（1754-1827）解釋電的性質，並於1800年製造第一顆實用的電池。•人類對電學的知識不斷進步，成為日後新動力的來源，並應用到照明或通信的用途。電的影響•電動引擎、電燈：影響人的作息•電報、電話：縮短了通信時間，拉近了人的距離•應用電學所產生的科技對世界產生重大影響化學的發展-肥料•化學肥料的製造，對農業貢獻很大•1900年以後，天然的肥料已不敷人類所需，科學家開使用合成的方法，大量製造肥料•1915年在德國開工生產的氨肥工廠，是化肥的先驅。•影響：價格便宜、效果顯著，化肥得以迅速推廣，使糧食供應大為增加。化學的發展-染料•早期的染料：多來自植物及礦物。•缺點：產量有限，色澤不夠豐富，不能持久。•十九世紀，科學家在製造奎寧的過程中，發現一種紫色的沈澱物（苯紫胺），可以作為染料。二十世紀染料的發展•二十世紀初，應用化學技術製成的染料進入紡織工業。•最初的染料顏色相當有限，但英、美、德國的大企業致力於新染料的開發，色彩逐漸繁複。•合成纖維問世之後，上色技術與天然纖維不盡相同，於是開發新的染料，使人類的生活更為豐富。醫藥方面的發展•十九世紀後期以前，人類所使用的大部分藥品來自天然植物。•缺點：因地理條件及人為因素，藥品供應有限，有效成分亦無法控制，影響醫療效果。新的醫藥技術•原因：化學知識進步後，人類穩定天然植物的藥效。•例如：利用柳樹枝的皮所含的水楊酸成分製成阿斯匹靈。另一方面，用合成的方法開發出新的藥物，如：三○年代製成的磺胺藥物，可以對抗細菌感染。•影響：醫藥進步後，很多棘手的疾病遂被克服。陶瓷技術的發展•陶瓦器：用高溫燒製泥土，出現瓦器、陶器。•缺點：由於氣孔多，無法長期保存液體。•瓷器：主要成分是高嶺土、石英及常石。在攝氏1200度高溫時，長石融化，不會透水，質地比較平滑、光亮。瓷器的傳播•十三世紀，中亞商旅將中國瓷器傳到歐洲，西方人才開始認識瓷器•1500年前後，義大利半島上米蘭等城市開始仿製，初期產量有限。•十八世紀後，開始大量生產。陶瓷二十世紀的發展•因為化學知識發達，開始利用燒製陶瓷的概念，將瓷土中加入化學原料如碳酸鋇、矽、氮、氧化鋁等，以產生不同的物理或化學特性，稱之為精密陶瓷，應用範圍非常廣泛。精密陶瓷其性質隨著添加物的不同而異，有絕緣的、導電的、堅硬的。分成三類：電子陶瓷、結構陶瓷及生醫陶瓷電子陶瓷•在燒製過程中，加入不同成分，可成為導電、不導電體、超導體、半導體。•可以製成：火星塞、電路機板、感測器、錄影機磁頭、洗淨器、掃描器。•電器製品上可看到：積體電路、光纖、雷射。結構陶瓷•特點：耐熱、隔熱、耐磨、抗輻射•用途：用於需要耐高溫的太空設備或汽車引擎。•在核子反應爐中，也是重要的結構材料生醫陶瓷•利用陶瓷的特性：容易塑造成形、無毒、不會產生化學反應，可以與人體組織結合。•用途：製成螺絲釘，連接骨頭，也可製成人工關節、義齒，甚至可用來修復頭蓋骨、頸椎。•隨著醫學的進步，其用途不斷增加。精密陶瓷的展望因材料取得較易，製作過程中消耗的能量較少，是未來工業發展的重心之一。塑膠工業近五十年來最重要的發明之一，對人類生活影響甚大塑膠的發展•塑膠的出現：早在1870年代，德國的科學家已經將苯酚及甲醛混合在一起，製成一種黑色泥狀物質。•二十世紀初，美國與英國兩地的科學家分別研究這這苯酚塑料。•塑膠的特性：絕緣、可塑，可應用在電燈開關、燈座塑膠工業塑膠的應用•1920年代以後，無色的尿素甲醛及甲醛樹脂相繼問世，可以添加各種顏色，成為家庭用品的重要原料，小至梳紫、肥皂盒，大到桌麵、椅墊都可以應用。•1970年代，隨著石油化學工業的進步，塑膠有更進一步的發展。•例如：聚乙烯、聚氯乙烯及聚苯乙烯，可以製成絕緣、防震、吸音等材料，也可製成塗料（乳膠漆）、塑膠袋、鞋類。天然纖維•古人衣著的來源是皮毛及植物的纖維兩河流域及埃及在西元前3000年左右已有亞麻栽培、中國以大麻為主。•將麻類的莖經過浸泡後，可以分離出纖維，成為衣物的主要來源。•棉花原產於印度，後來分別傳入中國及埃及，由於纖維柔軟，迅速獲得推廣。•蠶絲發源於中國，後傳到日本及歐洲，但數量有限，價格昂貴。工業革命對穿著的影響•工業革命首先從紡織業開始，先是毛紡織業，後來轉變成棉紡織業。•大量生產，使價格降低。•到二十世紀後，人造纖維問世，大大改變人類的穿著。人造纖維的發展•1930年代，美國的科學家製造出尼龍，可以已故太的形式出現，也可以拉成纖維，製造「尼龍」襪等。•1940年代，發展出人造聚酯纖維，其中又以丙烯酸係纖維為主。成為現代衣物的重要原料•人造纖維最初因為染色的工序與棉、毛紡織不同，引起疑慮，不願投資。後來，化學工業先以混紡方式，拓展人造纖維的市場。•特色：有易乾、不遭虫咬及不皺等特性，逐漸受到重視，成為今日衣服的重要材料。•大量使用，但不易分解、不溶於水，有環保的問題。玻璃的出現•西元前3000年前，埃及以出現以裝飾為主的玻璃製品。•西元前1500年，做為容器的玻璃也已經出現。•缺點：保存不易、價格昂貴，只是上層社會專屬。玻璃走進生活之中•1680年代，法人發展出新的技術，才走近一般人的生活之中。•十九世紀以後，玻璃製作技術有突破性發展，如：強化玻璃可以製作建築材料、桌面、隔間；耐熱玻璃可以製作鍋、爐具等。玻璃的應用•1880年代，英格蘭地區已經利用玻璃來製作玻璃纖維。•雷射出現後，玻璃可以成為光波的良好媒介，但由於其中雜質過多，所以科學家開始找耗損較少的玻璃。•1960年代，科學家開發折射佳、易融化，便於製造的合成玻璃。•1970年代，熔解矽石添加一些化合物後可以成為玻璃纖維的良好材質。從此以後，光纖科技成為數位通信的重要媒介。矽晶•是玻璃工業的另一項重要發展•1930年末代，科學家已經發現矽的導電現象，發展出天然半導體。•1940年代末期，電晶體開始問世，引起了大眾傳播的革命。工業發展加速•傳統工業：機器製造、紡織業•1890年代：電器及製藥工業成為重要領域•國家工業是否發達的重要因素：技術、生產策略、資本•專利法規：鼓勵私人或企業投入更多經費及人力從事研究及發展，並保護其研究的結果。驚人的工業發展速度•時間：二十世紀中期以後•原因：1.生產線組裝成為主流。2.知識交換迅速。3.政府的獎勵與補助。•影響：單位成本降低、使許多工業產品售價降低，許多人都可以享受現代文明的成果。資源危機與循環利用•決定文明的重要因素：糧食、能源、天然資源•現代科學努力的兩個重要方向：原子能、太陽能金屬短缺情形尚未發生的原因•1.開採技術進步•2.尋求替代品•3.推動資源回收，提高循環利用環境保護問題•油輪觸礁造成原油外洩，影響某個地方的生態問題•工業廢水、廢棄或廢料造成環境污染•1986年俄羅斯車諾比核能電廠發生意外，大量輻射外洩•臭氧層逐漸被破壞，無法有效過濾日光。•水資源短缺：水土保持沒做好、水庫優氧化、過渡使用化肥。科技與道德價值•醫學進步之後的科技：器官移植、人工方式延長壽命、安樂死、複製器官、複製仁、代理孕母。皆會引起爭論。•為了因應科技的快速發展帶來新的價值觀念，以適應新事物的挑戰，法律、社會及歷史等各類專家應先思考這些