材料與奈米科技的發(fā)展與人物課件

第十三章

材料與奈米科技的

發(fā)展與人物

材料科技研究材料成分製造方法物理特性（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)酸鹼之抗腐蝕性、抗氧化性或防銹性、生化反應(yīng)等）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膠）複合材料半導(dǎo)體材料不銹鋼─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)用於對(duì)耐腐蝕性要求較高的環(huán)境輕金屬鋁合金：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。常用於鋁門(mén)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)光二極體（LED）上，其電線有些會(huì)用鋁矽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)的雷射二極體（LD）或發(fā)光二極體鎂合金具有相當(dāng)?shù)椭戎兀F(xiàn)今之行動(dòng)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(jīng)逐漸使用鎂合金有色金屬常見(jiàn)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(guò)千年的歷史純銅（又稱紅銅）的導(dǎo)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(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）等青銅器貴重金屬─金、銀、白金及其合金黃金（熔點(diǎn)1064℃）主要用在飾品及貨幣。由於純金的延展性非常的好，31克的金可展成300平方英尺，或是拉成毛髮般的細(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製作成14K至18K的K金，作為裝飾、項(xiàng)鍊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金後體積會(huì)變大，阿基米德即是利用此現(xiàn)象而判定花圈並非純金製成銀（熔點(diǎn)962℃）的比重為10.49，主要用於貨幣及食物容器。銀為最佳之導(dǎo)電體，但由於價(jià)格昂貴而無(wú)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(yīng)用於鑲牙材料白金（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，由於具有良好之耐蝕性及抗氧化性，在實(shí)驗(yàn)室中常被用於高溫?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)用於石化工業(yè)；若利用白金作汽車觸媒轉(zhuǎn)換器，則可減少?gòu)U棄之排放量低熔點(diǎn)金屬─鉛、錫、鋅及汞鉛(熔點(diǎn)327℃)的比重為11.36，，廣用於子彈頭及釣魚(yú)、網(wǎng)魚(yú)之重錘等。而鉛合金之應(yīng)用中，則以鉛銻合金應(yīng)用於鉛酸電池，鉛錫合金應(yīng)用於焊接之銲錫，鉛鋅鎘合金應(yīng)用於保險(xiǎn)絲等之易熔合金，鉛銻錫合金應(yīng)用於印刷用鉛版之活字合金鋅(熔點(diǎn)420℃)的產(chǎn)量?jī)H次於鋁及銅，鋅的比重為7.13，鋅合金廣用於壓鑄模具汞的比重為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(jiàn)的就是水銀溫度計(jì)及牙科用的汞齊鎳(熔點(diǎn)1455℃)與鐵一樣具有磁性，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是耐熱金屬，用於超音速戰(zhàn)鬥機(jī)之推進(jìn)器中的渦輪葉片記憶合金可用來(lái)作自動(dòng)調(diào)節(jié)電流之開(kāi)關(guān)，當(dāng)電流過(guò)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(kāi)關(guān)跳開(kāi)，而當(dāng)電流變小，溫度降低，記憶合金會(huì)再度變形，使得開(kāi)關(guān)重新接通。其他還可用來(lái)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，後來(lái)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)用於牙齒矯正線鎢具有金屬中最高的熔點(diǎn)（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(chǎn)生高熱而變質(zhì)或變形愛(ài)迪生使用鎢絲製作了燈泡，開(kāi)啟了人類光明的時(shí)代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玻璃材料玻璃的主要成分為二氧化矽加上其他物質(zhì)，而石英則是純的二氧化矽；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(guò)冷液體），內(nèi)部原子排列並無(wú)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(lái)製造光纖，供通訊之用

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)生於錫、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(lái)，高溫超導(dǎo)也成為熱門(mén)的研究項(xiàng)目，而這些超導(dǎo)材料可以應(yīng)用於醫(yī)學(xué)、核能工程以及磁浮列車等科技超導(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(wú)法穿透，只能從其旁邊經(jīng)過(guò)，因而將超導(dǎo)體托起而使其懸浮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，俗稱塑膠，是屬於有機(jī)材料，主要來(lái)源是石化工業(yè)的產(chǎn)物加以合成，可分為一般塑膠及工程塑膠兩大類型聚合體的製成多半採(cǎi)用射出成型方式製造，而其外觀顏色則可藉由添加顏料或塗料而得之熱固型聚合體就是聚合體在加熱後會(huì)硬化熱塑型聚合體則加熱後會(huì)軟化聚合體包括塑膠、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、耐酸鹼腐蝕及不耐溫，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於聚合物不易分解，在過(guò)去曾經(jīng)被視為優(yōu)點(diǎn)，而今則被視為環(huán)保問(wèn)題複合材料複合材料是由金屬、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)研究之主流複合材料內(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於將強(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)化材之功用玻璃纖維複合材料為玻璃纖維所製之布加上熱熔樹(shù)脂，然後壓製而成，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）等碳纖維複合材料則為苯烯脂纖維加上其他材料製成。碳纖維複合材料質(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

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，即可製成各式各樣的元件。而半導(dǎo)體材料一般分為：

四價(jià)半導(dǎo)體材料，如矽（Si）、鍺（Ge）等。矽材料常用來(lái)製造電腦及家電產(chǎn)品的積體電路，也可做成感測(cè)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元件，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(lái)製造雷射二極體、發(fā)光二極體、光感測(cè)器等光電元件晶圓放大圖奈米科技奈米(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(lái)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(mén)學(xué)科的里程碑物質(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)出不同於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，其顏色變化可用於驗(yàn)孕試劑或其他醫(yī)學(xué)疾病之篩檢奈米科技在食的應(yīng)用奈米化陶瓷複合材料所發(fā)射的遠(yuǎn)紅外線具有食物保鮮之功能，將其做成盤(pán)子或做成編織物覆蓋於食物上，皆可達(dá)保鮮之功效奈米鈦塗料具有自潔性，將其塗佈於裝盛飲水或食物之容器表面，可減少結(jié)垢之發(fā)生奈米科技在衣的應(yīng)用奈米化纖維可使紡織品光澤優(yōu)雅，質(zhì)感細(xì)緻，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乾淨(jìng)，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(wú)機(jī)粉體材料時(shí)，可吸收陽(yáng)光中之紫外線，使紫外線對(duì)衣服之穿透率降至小於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，可防止穿於腳上的襪子發(fā)生變濕發(fā)臭等擾人問(wèn)題金屬銀的奈米粒子會(huì)使細(xì)菌的DNA失去複製蛋白質(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等人於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)胞壁形成孔洞之後會(huì)使得細(xì)胞壁的透過(guò)度顯著增加，最後造成細(xì)胞的死亡奈米科技在住的應(yīng)用奈米化建材或塗料可具有防水、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)及空氣清淨(jìng)機(jī)等電器，由於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，因此其淨(jìng)化空氣、除臭、殺菌或抑菌等清潔功能極為優(yōu)異將衛(wèi)浴設(shè)備之表面鍍有奈米級(jí)的塗料顆粒時(shí)，運(yùn)用奈米材料經(jīng)過(guò)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)緻的奈米介面結(jié)構(gòu)，達(dá)到蓮花出淤泥而不染的蓮花效應(yīng)（LotusEffect），使汙垢無(wú)法附著於上，所以水一沖即可將髒污去除乾淨(jìng)（沖洗後）污物完全無(wú)殘留（沖洗中）洗淨(jìng)力超強(qiáng)（沖洗前）污物無(wú)法沾附呈水珠狀（蓮花效應(yīng)）將奈米二氧化鈦光觸媒塗佈於建築物之外觀，會(huì)因?yàn)殛?yáng)光（紫外線）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)淨(jìng)水劑，由於其具有高表面積，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油垢變成黏合劑，黏住粉塵污垢並沾染於大樓外壁油垢粉塵被分解後，再被雨水沖刷掉紫外線照射光觸媒，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)分解污垢雨塗裝光觸媒油汙粉塵奈米科技在行的應(yīng)用奈米複合材料之使用，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，由於具有極高比表面積，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(wú)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)用於廢氣處理及空氣清淨(jìng)方面奈米能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)，可使人類免於依賴日漸枯竭的石油。例如以奈米觸媒技術(shù)將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能，再將電能將水分解，產(chǎn)生繼石油之後無(wú)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，而奈米光碟的超大容量更可達(dá)一般光碟容量的百萬(wàn)倍，且能增加資料保存效能奈米技術(shù)不但可加速電腦晶片運(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)緻、精確的高品質(zhì)色彩印刷。一般紙張加入特殊奈米塗劑時(shí)，具有防水防油之功能，可延長(zhǎng)書(shū)籍之壽命奈米科技在樂(lè)的應(yīng)用將奈米製程技術(shù)用於手機(jī)通訊晶片，可使通訊影音傳輸品質(zhì)更快、更清晰細(xì)緻，且功能更多元化奈米碳管可應(yīng)用於場(chǎng)發(fā)射顯示器（FED），其成本相當(dāng)於以往傳統(tǒng)映像管電視（CRT）之價(jià)格，但其影像顯示品質(zhì)卻媲美高畫(huà)質(zhì)數(shù)位電視（HDTV）之高解析畫(huà)質(zhì)，並兼具重量輕、強(qiáng)度強(qiáng)而厚度薄之優(yōu)勢(shì)，甚至可做成紙片形式，便於捲曲收藏及攜帶奈米化之電池隔離膜可大幅提升化學(xué)電解反應(yīng)之效益，進(jìn)而提供高容量之電池電力，用以延長(zhǎng)手機(jī)、數(shù)位相機(jī)、數(shù)位攝影機(jī)、筆記型電腦或其他機(jī)器之待機(jī)使用時(shí)間奈米化金屬粉末對(duì)電磁波之吸收特性，可作為手機(jī)輻射遮罩之用

奈米科技在醫(yī)療美容的應(yīng)用醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)方面，奈米生醫(yī)晶片可取代傳統(tǒng)繁雜人工檢驗(yàn)步驟，並可使檢驗(yàn)平臺(tái)微小化奈米金粒子可利用其特殊的顏色變化來(lái)做驗(yàn)孕、藥物成癮、肝炎、愛(ài)滋病毒及梅毒等之篩檢在疾病治療方面，奈米醫(yī)藥不易使細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性，可逐漸取代目