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第十三章 材料的種類與應用 1 掃描式電子顯微鏡照片 顯示一種玻璃-陶瓷材 料的顯微組織,其中細 長狀葉片組織使得此材 料具有非常優良的強度 與韌性。X 65,000(照片 L R. Pinckney and G. J Fine of Corning Incorporated 提供 )。 第十三章材料的種類與應用

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第十三章 材料的種類與應用 1

掃描式電子顯微鏡照片

顯示一種玻璃-陶瓷材

料的顯微組織其中細

長狀葉片組織使得此材

料具有非常優良的強度

與韌性X 65000(照片

由 L R Pinckney and G J Fine of Corning Incorporated 提供 )

第十三章材料的種類與應用

第十三章 材料的種類與應用 2

本 章 章 節

bull 131 簡介

bull 132 鐵屬合金

bull 133 非鐵合金

bull 134 玻璃

bull 135 玻璃-陶瓷

bull 136 黏土製品

bull 137 耐火材料

bull 138 磨料

bull 139 水泥

bull 1310 先進陶瓷

bull 1311 鑽石與石墨

bull 1312 塑膠

bull 1313 彈性體

bull 1314 纖維

bull 1315 各種應用例

bull 1316 先進高分子材料

第十三章 材料的種類與應用 3

為什麼要研習材料的種類與應用

工程人員經常需要選擇適當的材料因此必須熟悉各種不

同材料的特性也必須使用擁有大量材料性質的資料庫

第十三章 材料的種類與應用 4

bull 在許多場合中工程師必須針對不同的用途選用適當的材

bull 因此負責選擇材料的人員必須熟悉可供選用材料的資

訊本章將對各種金屬合金陶瓷高分子材料之性質與

限制作全面性的介紹

131 簡 介 (Introduction)

第十三章 材料的種類與應用 5

金屬合金的種類 (Types of Metal Alloys)

bull 金屬合金以成份區分成兩大類鐵屬合金與非鐵屬合金

bull 以鐵為主要成份的鐵屬合金包括鋼及鑄鐵本章先討論鐵

合金特性隨後再說明非鐵屬合金

第十三章 材料的種類與應用 6

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

鐵屬合金(ferrous alloys)

bull 以鐵為主要成份產量居所有合金之冠與建築材料一樣

重要

bull 鐵屬合金用途廣泛的原因包括

(1)在地殼內蘊藏豐富的含鐵化合物

(2)鐵與鋼的提煉精煉合金化等製程皆十分經濟

(3)鐵屬合金種類多具有廣泛的機械及物理性質

bull 本節將討論多種鋼與鑄鐵的成份顯微組織及性質圖

131 顯示各種鐵屬合金的分類

第十三章 材料的種類與應用 7

鋼 ( Steels )

bull 鋼為鐵-碳合金並可能包含多種其他種類的合金元素

不同的化學成份或熱處理程序使得此種合金種類多達數

千種

bull 鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅其含量通常皆在 10 wt

以下

bull 一般鋼材以碳含量多寡而分為低中高碳鋼更可進一

步以其他合金元素來區分普通碳鋼(plain carbonsteels)中除了碳與錳之外只有殘留不純物合金鋼(alloy steels)

則另外加入特定的合金元素

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 8

低碳鋼 ( Low-Carbon Steels )

bull 低碳鋼是鋼中產量最大的種類其碳的成份大都低於 025

wt因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵須藉由冷加工

來強化

bull 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength low-alloy steelsHSLAsteals)其中包含的合金元素有

銅釩鎳及鉬等等總合金含量高達10wt強度優於

普通低碳鋼

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 2

本 章 章 節

bull 131 簡介

bull 132 鐵屬合金

bull 133 非鐵合金

bull 134 玻璃

bull 135 玻璃-陶瓷

bull 136 黏土製品

bull 137 耐火材料

bull 138 磨料

bull 139 水泥

bull 1310 先進陶瓷

bull 1311 鑽石與石墨

bull 1312 塑膠

bull 1313 彈性體

bull 1314 纖維

bull 1315 各種應用例

bull 1316 先進高分子材料

第十三章 材料的種類與應用 3

為什麼要研習材料的種類與應用

工程人員經常需要選擇適當的材料因此必須熟悉各種不

同材料的特性也必須使用擁有大量材料性質的資料庫

第十三章 材料的種類與應用 4

bull 在許多場合中工程師必須針對不同的用途選用適當的材

bull 因此負責選擇材料的人員必須熟悉可供選用材料的資

訊本章將對各種金屬合金陶瓷高分子材料之性質與

限制作全面性的介紹

131 簡 介 (Introduction)

第十三章 材料的種類與應用 5

金屬合金的種類 (Types of Metal Alloys)

bull 金屬合金以成份區分成兩大類鐵屬合金與非鐵屬合金

bull 以鐵為主要成份的鐵屬合金包括鋼及鑄鐵本章先討論鐵

合金特性隨後再說明非鐵屬合金

第十三章 材料的種類與應用 6

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

鐵屬合金(ferrous alloys)

bull 以鐵為主要成份產量居所有合金之冠與建築材料一樣

重要

bull 鐵屬合金用途廣泛的原因包括

(1)在地殼內蘊藏豐富的含鐵化合物

(2)鐵與鋼的提煉精煉合金化等製程皆十分經濟

(3)鐵屬合金種類多具有廣泛的機械及物理性質

bull 本節將討論多種鋼與鑄鐵的成份顯微組織及性質圖

131 顯示各種鐵屬合金的分類

第十三章 材料的種類與應用 7

鋼 ( Steels )

bull 鋼為鐵-碳合金並可能包含多種其他種類的合金元素

不同的化學成份或熱處理程序使得此種合金種類多達數

千種

bull 鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅其含量通常皆在 10 wt

以下

bull 一般鋼材以碳含量多寡而分為低中高碳鋼更可進一

步以其他合金元素來區分普通碳鋼(plain carbonsteels)中除了碳與錳之外只有殘留不純物合金鋼(alloy steels)

則另外加入特定的合金元素

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 8

低碳鋼 ( Low-Carbon Steels )

bull 低碳鋼是鋼中產量最大的種類其碳的成份大都低於 025

wt因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵須藉由冷加工

來強化

bull 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength low-alloy steelsHSLAsteals)其中包含的合金元素有

銅釩鎳及鉬等等總合金含量高達10wt強度優於

普通低碳鋼

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 3

為什麼要研習材料的種類與應用

工程人員經常需要選擇適當的材料因此必須熟悉各種不

同材料的特性也必須使用擁有大量材料性質的資料庫

第十三章 材料的種類與應用 4

bull 在許多場合中工程師必須針對不同的用途選用適當的材

bull 因此負責選擇材料的人員必須熟悉可供選用材料的資

訊本章將對各種金屬合金陶瓷高分子材料之性質與

限制作全面性的介紹

131 簡 介 (Introduction)

第十三章 材料的種類與應用 5

金屬合金的種類 (Types of Metal Alloys)

bull 金屬合金以成份區分成兩大類鐵屬合金與非鐵屬合金

bull 以鐵為主要成份的鐵屬合金包括鋼及鑄鐵本章先討論鐵

合金特性隨後再說明非鐵屬合金

第十三章 材料的種類與應用 6

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

鐵屬合金(ferrous alloys)

bull 以鐵為主要成份產量居所有合金之冠與建築材料一樣

重要

bull 鐵屬合金用途廣泛的原因包括

(1)在地殼內蘊藏豐富的含鐵化合物

(2)鐵與鋼的提煉精煉合金化等製程皆十分經濟

(3)鐵屬合金種類多具有廣泛的機械及物理性質

bull 本節將討論多種鋼與鑄鐵的成份顯微組織及性質圖

131 顯示各種鐵屬合金的分類

第十三章 材料的種類與應用 7

鋼 ( Steels )

bull 鋼為鐵-碳合金並可能包含多種其他種類的合金元素

不同的化學成份或熱處理程序使得此種合金種類多達數

千種

bull 鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅其含量通常皆在 10 wt

以下

bull 一般鋼材以碳含量多寡而分為低中高碳鋼更可進一

步以其他合金元素來區分普通碳鋼(plain carbonsteels)中除了碳與錳之外只有殘留不純物合金鋼(alloy steels)

則另外加入特定的合金元素

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 8

低碳鋼 ( Low-Carbon Steels )

bull 低碳鋼是鋼中產量最大的種類其碳的成份大都低於 025

wt因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵須藉由冷加工

來強化

bull 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength low-alloy steelsHSLAsteals)其中包含的合金元素有

銅釩鎳及鉬等等總合金含量高達10wt強度優於

普通低碳鋼

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 4

bull 在許多場合中工程師必須針對不同的用途選用適當的材

bull 因此負責選擇材料的人員必須熟悉可供選用材料的資

訊本章將對各種金屬合金陶瓷高分子材料之性質與

限制作全面性的介紹

131 簡 介 (Introduction)

第十三章 材料的種類與應用 5

金屬合金的種類 (Types of Metal Alloys)

bull 金屬合金以成份區分成兩大類鐵屬合金與非鐵屬合金

bull 以鐵為主要成份的鐵屬合金包括鋼及鑄鐵本章先討論鐵

合金特性隨後再說明非鐵屬合金

第十三章 材料的種類與應用 6

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

鐵屬合金(ferrous alloys)

bull 以鐵為主要成份產量居所有合金之冠與建築材料一樣

重要

bull 鐵屬合金用途廣泛的原因包括

(1)在地殼內蘊藏豐富的含鐵化合物

(2)鐵與鋼的提煉精煉合金化等製程皆十分經濟

(3)鐵屬合金種類多具有廣泛的機械及物理性質

bull 本節將討論多種鋼與鑄鐵的成份顯微組織及性質圖

131 顯示各種鐵屬合金的分類

第十三章 材料的種類與應用 7

鋼 ( Steels )

bull 鋼為鐵-碳合金並可能包含多種其他種類的合金元素

不同的化學成份或熱處理程序使得此種合金種類多達數

千種

bull 鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅其含量通常皆在 10 wt

以下

bull 一般鋼材以碳含量多寡而分為低中高碳鋼更可進一

步以其他合金元素來區分普通碳鋼(plain carbonsteels)中除了碳與錳之外只有殘留不純物合金鋼(alloy steels)

則另外加入特定的合金元素

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 8

低碳鋼 ( Low-Carbon Steels )

bull 低碳鋼是鋼中產量最大的種類其碳的成份大都低於 025

wt因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵須藉由冷加工

來強化

bull 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength low-alloy steelsHSLAsteals)其中包含的合金元素有

銅釩鎳及鉬等等總合金含量高達10wt強度優於

普通低碳鋼

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 5

金屬合金的種類 (Types of Metal Alloys)

bull 金屬合金以成份區分成兩大類鐵屬合金與非鐵屬合金

bull 以鐵為主要成份的鐵屬合金包括鋼及鑄鐵本章先討論鐵

合金特性隨後再說明非鐵屬合金

第十三章 材料的種類與應用 6

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

鐵屬合金(ferrous alloys)

bull 以鐵為主要成份產量居所有合金之冠與建築材料一樣

重要

bull 鐵屬合金用途廣泛的原因包括

(1)在地殼內蘊藏豐富的含鐵化合物

(2)鐵與鋼的提煉精煉合金化等製程皆十分經濟

(3)鐵屬合金種類多具有廣泛的機械及物理性質

bull 本節將討論多種鋼與鑄鐵的成份顯微組織及性質圖

131 顯示各種鐵屬合金的分類

第十三章 材料的種類與應用 7

鋼 ( Steels )

bull 鋼為鐵-碳合金並可能包含多種其他種類的合金元素

不同的化學成份或熱處理程序使得此種合金種類多達數

千種

bull 鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅其含量通常皆在 10 wt

以下

bull 一般鋼材以碳含量多寡而分為低中高碳鋼更可進一

步以其他合金元素來區分普通碳鋼(plain carbonsteels)中除了碳與錳之外只有殘留不純物合金鋼(alloy steels)

則另外加入特定的合金元素

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 8

低碳鋼 ( Low-Carbon Steels )

bull 低碳鋼是鋼中產量最大的種類其碳的成份大都低於 025

wt因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵須藉由冷加工

來強化

bull 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength low-alloy steelsHSLAsteals)其中包含的合金元素有

銅釩鎳及鉬等等總合金含量高達10wt強度優於

普通低碳鋼

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 6

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

鐵屬合金(ferrous alloys)

bull 以鐵為主要成份產量居所有合金之冠與建築材料一樣

重要

bull 鐵屬合金用途廣泛的原因包括

(1)在地殼內蘊藏豐富的含鐵化合物

(2)鐵與鋼的提煉精煉合金化等製程皆十分經濟

(3)鐵屬合金種類多具有廣泛的機械及物理性質

bull 本節將討論多種鋼與鑄鐵的成份顯微組織及性質圖

131 顯示各種鐵屬合金的分類

第十三章 材料的種類與應用 7

鋼 ( Steels )

bull 鋼為鐵-碳合金並可能包含多種其他種類的合金元素

不同的化學成份或熱處理程序使得此種合金種類多達數

千種

bull 鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅其含量通常皆在 10 wt

以下

bull 一般鋼材以碳含量多寡而分為低中高碳鋼更可進一

步以其他合金元素來區分普通碳鋼(plain carbonsteels)中除了碳與錳之外只有殘留不純物合金鋼(alloy steels)

則另外加入特定的合金元素

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 8

低碳鋼 ( Low-Carbon Steels )

bull 低碳鋼是鋼中產量最大的種類其碳的成份大都低於 025

wt因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵須藉由冷加工

來強化

bull 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength low-alloy steelsHSLAsteals)其中包含的合金元素有

銅釩鎳及鉬等等總合金含量高達10wt強度優於

普通低碳鋼

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 7

鋼 ( Steels )

bull 鋼為鐵-碳合金並可能包含多種其他種類的合金元素

不同的化學成份或熱處理程序使得此種合金種類多達數

千種

bull 鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅其含量通常皆在 10 wt

以下

bull 一般鋼材以碳含量多寡而分為低中高碳鋼更可進一

步以其他合金元素來區分普通碳鋼(plain carbonsteels)中除了碳與錳之外只有殘留不純物合金鋼(alloy steels)

則另外加入特定的合金元素

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 8

低碳鋼 ( Low-Carbon Steels )

bull 低碳鋼是鋼中產量最大的種類其碳的成份大都低於 025

wt因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵須藉由冷加工

來強化

bull 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength low-alloy steelsHSLAsteals)其中包含的合金元素有

銅釩鎳及鉬等等總合金含量高達10wt強度優於

普通低碳鋼

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 8

低碳鋼 ( Low-Carbon Steels )

bull 低碳鋼是鋼中產量最大的種類其碳的成份大都低於 025

wt因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵須藉由冷加工

來強化

bull 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength low-alloy steelsHSLAsteals)其中包含的合金元素有

銅釩鎳及鉬等等總合金含量高達10wt強度優於

普通低碳鋼

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 9

圖 131 各種鐵屬合

金的分類

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 10

表 131a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 11

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 131b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典

型應用例

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 12

中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels )

bull 中碳鋼的碳含量介於 025 到 060 wt 之間這些合金可

藉沃斯田鐵化淬火回火等熱處理程序而強化大多含

有回火麻田散鐵的組織

bull 多種中碳合金鋼的成份列於表 132a關於規範的說明如

下美國汽車工程師協會(SAE)美國鋼鐵學會

(AISI)及美國材料試驗協會(ASTM)提供這些鋼及其

他合金的分類及規範

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 13

高碳鋼 ( High-Carbon Steels )

bull 高碳鋼的碳含量多在 060 到 14 wt 之間是碳鋼中強度

最佳硬度最高但延性最差的鋼種高碳鋼都是熱處理

成為回火麻田散鐵的組織耐磨耗並且可以作為尖銳的切

削刀刃工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻釩鎷及鉬

等合金元素這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗

的金屬碳化物(如 Cr23C6V4C3 及 WC)

bull 表 133中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例這些

鋼用於切削工具及材料成形的模具或是刀具刀片鋸

片葉片彈簧與高強度鋼索

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 14

不鏽鋼 ( Stainless steels )

bull 在許多環境中(特別在大氣環境)有良好的抗腐蝕(生

鏽)能力最主要的合金元素為鉻不鏽鋼中最低含鉻量

為 11 wt添加鎳與鉬可提昇耐蝕性

bull 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類麻田散鐵系肥

粒鐵系沃斯田鐵系許多不同種類的不鏽鋼列於表

134 包括其化學組成機械性質及應用實例多樣性的

機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 15

表 132a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成及其 AISISAE

與 UNS 編號系統

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 16

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 132b 油淬回火的普通碳鋼及合金鋼其機械性質範圍及典型

應用實例

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 17

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 133 六種工具鋼之名稱成份與應用實例

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 18

表 134 沃斯田

鐵肥粒鐵

麻田散鐵系及

析出硬化型不

鏽鋼之編號

成份機械性

質及典型應用

實例

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 19

鑄鐵 ( Cast Irons )

bull 一般而言鑄鐵為碳含量高於 214 wt 的鐵合金實際

上鑄鐵中的碳約在 30 到 45 wt 之間並添加其他合

金元素重新檢視鐵-碳化鐵平衡圖(圖 1026)顯示

鑄鐵在 1150 到 1300 degC(2100 到 2350 degF)間為液態低於

鋼的熔融溫度因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造此外部

份鑄鐵很脆鑄造是最便利的製造方法

bull 雪明碳鐵( Fe3C )是介穩態的化合物在適當的情況

下會分解成α肥粒鐵與石墨

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 132 以石墨(真正安定相)替代雪明碳鐵的鐵-碳平衡圖

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 21

灰鑄鐵 ( Gray Iron )

bull 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 25 到 40 wt及 10 到

30 wt 之間大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀(像是玉米

片)四周則為α肥粒鐵或是波來鐵基質典型灰鑄鐵的

顯微組織示於圖 133a因為存在這些片狀石墨裂斷面

呈灰色因而稱為灰鑄鐵

bull 灰鑄鐵的耐磨耗性佳在熔融狀態時灰鑄鐵的流動性良

好故可以鑄造複雜形狀的鑄件且鑄造收縮也很小

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 22

延性 (或球墨) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron )

bull 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰或者同時加入兩者可產生

截然不同的顯微組織與機械性質

bull 石墨形成球狀而非片狀故這種鑄鐵稱為球墨

(nodular)或延性鑄鐵(ductile iron)其典型的顯微組織

如圖 133b 所示

bull 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵

抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 70000 psi)之間

延性(伸長率)達 10 到 20

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 23

白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron )

bull 低矽鑄鐵(矽含量低於 10 wt)加上凝固時快速冷卻大

部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在而不是石墨如圖

135 所示因為此種鑄鐵破斷面呈白色故稱為白鑄鐵

bull 一般而言白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 24

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(a) 灰

鑄鐵黑色片狀

石墨嵌接於肥粒

鐵基質中放大

500 倍

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 25

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵

顯微組織的光學

金相照片(b) 延性

(球墨)鑄鐵

黑色球狀石墨四

周有肥粒鐵基質

包圍放大 200

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 26

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯微

組織的光學金相照

片(c) 白鑄鐵淺色

的雪明碳鐵區域四周

有波來鐵基質包圍

波來鐵為肥粒鐵

雪明碳鐵的層狀組

織放大 400 倍

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 27

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

圖 133 多種鑄鐵顯

微組織的光學金相

照片 (d) 展性鑄

鐵黑色薔薇狀石

墨(回火碳)散佈

於肥粒鐵基質中

放大 150 倍

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 28

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 29

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

表 135 各種灰鑄鐵球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號最低機械性

質約略成份與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 30

圖 134 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 31

圖 135 鐵-碳平衡圖

中商用鑄鐵之成份範

圍同時也顯示不同

熱處理所得到之顯微

組織Gf 片狀石

墨 Gr 薔薇狀石

墨Gn球狀石墨

P 波來鐵α肥粒

132 鐵屬合金 (Ferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 32

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

bull 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大因為它們具有廣泛的

機械性質易於生產且價格低廉然而這些金屬也具有

一些獨特的限制

(1)高密度

(2)低導電度

(3)在一般環境中易腐蝕

bull 合金若脆性高無法以大量塑性變形而成形須以鑄造方

式形成這種合金稱為鑄造合金(cast alloys)相反的

適合塑性變形而成形的合金稱為鍛造合金

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 33

銅及其合金 ( Copper and Its Alloys )

bull 銅及其合金因具有良好的物理性質自古以來就使用在多

種不同的場合純銅過於柔軟且延性佳因而不易加工

而且冷加工性不佳

bull 青銅(bronzes)為銅與數種其他元素如錫鋁矽及鎳的

合金這種合金的強度比黃銅稍高且耐蝕性更佳表

136 中列出數種青銅的化學成份性質及應用例一般而

言青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 34

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 35

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 136 八種銅合金之成份機械性質與典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 36

鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys )

bull 鋁及其合金的特點為低密度(27gcm3而鋼的密度為

79gcm3)高導電度與導熱性在一般大氣的環境中耐

蝕性良好大部份此類合金的延性佳易於成型此由鋁

可輥軋成鋁箔片可以看出

bull 鋁具有 FCC 的結晶構造所以其優良的延性可以保持到

低溫鋁合金的最大限制為其低熔點 660degC(1220degF)限

制了鋁合金的使用溫度

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 37

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 38

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 39

表 137 數種常見鋁合金的成份機械性質與典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 40

鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys )

bull 鎂最重要的特性是密度只有 17 gcm3是所有結構材料中

的最低值因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合

如飛行器的零件鎂具有 HCP 的結晶構造質軟且彈

性係數僅有 45 GPa(65times106 psi)

bull 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金其中有部份可以進行熱處

理主要的合金元素包括鋁鋅錳及一些稀土族元素

成份熱處理的編號系統與鋁合金相近表 138 列出多種

常見鎂合金之化學成份性質及用途

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 41

鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys )

bull 鈦及其合金係新型合金具有良好的性質組合純鈦的密

度相當低(45gcm3)熔點高[1668(3035)]彈

性係數達 107 GPa(155times106 psi)鈦合金的強度極高

室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200000 psi)比強度值很

高此外鈦的延性佳易於鍛造及加工

bull 表 139 中列出了一些鈦合金的化學組成典型性質及應用

例子鈦合金多用於飛機結構航空器外科植入材料及

石化產業中

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 42

耐高溫金屬 ( The Refractory Metals )

bull 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬包括鈮 ( Nb )鉬

(Mo)鎢(W)及鉭(Ta)熔點介於鈮的 2468degC

(4474degF)到鎢的 3410degC(6170degF)鎢的熔點為金屬中

最高值

bull 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中以提高其耐蝕性鉬合金使用

於擠製模及航空器的結構零件白熱燈絲X 射線管及焊

極可使用鎢合金鉭在 150degC 之下可以忍受化學品的侵

蝕常使用在需要耐蝕的場合

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 43

超合金 ( The Super Alloys )

bull 超合金具有最佳的性質組合大部份用於航空器的渦輪機

零件必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的

環境中在這種情況下材料機械性質的完整性非常重

要在這方面密度是一項重要的考量因為當密度降低

時迴轉零件的離心應力將可降低

bull 超合金以其主要金屬而分類包括有鈷鎳或鐵其他的

合金元素包括耐高溫金屬(NbMoWTa)以及鉻

與鈦除了應用於渦輪機之外超合金也應用在核能反應

器及石化工業設備

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 44

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 45

表 138 六種常見鎂合金的成份機械性質及典型應用例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 46

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 47

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

表 139 數種常見鈦合金的成份機械性質及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 48

貴重金屬 ( The Noble Metals )

bull 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬這些金屬

價格昂貴且性質優異主要的特性有柔軟延性佳抗

氧化佳

bull 貴重金屬包括銀金鈀鉑銠釕銥及鋨前三種

最常見並廣泛使用於手飾金與銀可以藉固溶銅而強

化貨幣用銀為含 75 wt 銅的銀-銅合金銀與金的合

金可用於牙科的修補材料此外部份積體電路以金作為

電的接點鉑用於化學實驗室的設備作為觸媒(特別在

生產石油時)及作為量測高溫溫度的熱電偶

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 49

其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys )

bull 以上所討論包括了大部份的非鐵合金然而尚有一些非

鐵合金也應用在各種工程上值得作一概要的說明鎳及

其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性特別是在鹼性環

境中

bull 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質(如密度彈

性係數降伏及抗拉強度導電係數熱膨脹係數等)

133 非鐵合金(Nonferrous Alloys)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 50

陶瓷的種類(Types of Ceramics)

bull 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異

因此金屬與陶瓷的應用場合極為不同且經常具有互補

性陶瓷與高分子材料的關係也是如此

bull 大部份的陶瓷在應用分類法之下可以分為玻璃結

構黏土產品瓷器耐火材料磨料水泥及新近發展的

先進陶瓷

bull 圖 136 顯示這些材料的分類圖以下將針對各材料逐一

略述此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 51

134 玻璃 (Glasses)

bull 玻璃是常見的一種陶瓷典型應用例包括容器窗戶鏡

片及玻璃纖維先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽並含

有其他的氧化物主要的氧化物有 CaONa2OK2O及

Al2O3這些氧化物會影響玻璃的性質典型鈉灰石玻璃包

括大約 70 wt的 SiO2其餘成份為 Na2O(鈉鹼)及CaO

(石灰)

bull 表 1310 中列舉多種常見玻璃的成份玻璃兩個最重要的

價值為光學透明性及易於製造

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 52

134 玻璃 (Glasses)

表 136 以應用分類的陶瓷材料

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 53

表 1310 一些常見商業用玻璃的成份與特性

134 玻璃 (Glasses)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 54

135 玻璃-陶瓷(Glass-Ceramics)

bull 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理將非晶質狀態轉

變成結晶此過程為玻璃質化(devitrification)所得的

產品為細晶粒的多晶材料稱為玻璃陶瓷(glass-ceramic)

bull 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低因此熱震的影響

小此外機械強度高且傳熱能力佳有些玻璃陶瓷可製

作成透光性也有的是不透明玻璃陶瓷最引人注意的是

容易製造傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷

上可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 55

136 黏土製品(Clay Products)

bull 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土不僅產量豐

富價格低廉且開採後不需進行提升品質的製程即可使

用另一項優點為其成型性優異適當比例的黏土與水

可形成易於塑造的物質成形後的黏土先行烘乾以去除水

份再進行高溫焙燒以增加其機械強度

bull 大部份黏土可區分為兩大類結構黏土製品(structural clay products)及瓷器(whitewares)結構黏土製品包括

建築用磚瓦下水道管路等這些產品需要較佳的機械

完整性瓷器在高溫焙燒(firing)後會變成白色這類的

黏土可用在瓷器陶器餐具及衛浴的管路配件此外

黏土製品中也含有許多其他成份對於產品在製程及最後

的性質上都有一些影響

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 56

137 耐火材料(Refractories)

bull 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷具有突出的性質

包括高溫下不會分解或熔化在嚴苛的環境中仍不會發

生反應並保持低活性

bull 表 1311中列舉了數種商業用耐火材料許多耐火材料由成

份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成在焙燒時小顆粒

通常會形成黏著相是提高耐火磚強度的重要原因這個黏

結相主要是玻璃相或是結晶體一般耐火材料的使用溫度稍

低於焙燒溫度

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 57

表 1311 五種常見耐火陶瓷材料的成份

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 58

耐火黏土 ( Fireclay Refractories )bull 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土(fireclays)氧化鋁

與矽石(silica)的混合物其中約含 25 至 45 wt 的氧化

鋁根據 SiO2-Al2O3 相圖(圖 1024)不產生液相的最高

溫度為 1587degC(2890degF)低於此溫度的平衡相為富鋁紅

柱石(mullite)與矽石(矽石 cristobalite)應用於高

溫時可以產生少量的液相而不會降低機械完整性

(mechanical integrity)

bull 耐火磚主要使用於建造爐體以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體

結構元件接觸高溫耐火磚的作用不在於支撐爐體因此

強度並非重要的考量但仍須控制成品尺寸的精確性與穩

定性

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 59

耐火矽石 ( Silica Refractories )

bull 耐火矽石(常稱為酸性耐火材料)的主要成分為矽石這

類材料的特點為高溫下承受負載的能力常作為鋼與玻璃

爐體的拱形爐頂使用溫度可達 1650degC(3000degF)此時

材料內部有一小部分已成為液態耐火矽石中即使只含少

量的氧化鋁也會對其性能有負面影響這一點可以由矽

石-氧化鋁相圖(圖 1024)得知

bull 富含 CaOMgO 或兩者兼有的(鹼性)熔渣能輕易的侵

蝕耐火矽石所以應避免接觸這些氧化物

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 60

鹼性耐火材 ( Basic Refractories )

bull 這種耐火材料富含方鎂石或稱氧化鎂(MgO)因而稱

為鹼性耐火材料除此之外也含有鈣鉻與鐵的化合

物加入矽石對於高溫性能有負面的影響

bull 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的

抵抗性能因此廣泛應用於煉鋼的平爐中

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 61

特殊耐火材料 ( Special Refractories )

bull 除了上述材料之外尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場

合其中部分為相當高純度的氧化物而且通常幾乎不含

孔隙這類的材料有氧化鋁矽石氧化鎂鈹土

(BeO)氧化鋯(ZrO2)與富鋁紅柱石(3Al2O3-

2SiO2)除此之外還有碳與石墨以及碳化物碳化矽

(SiC)可做為電爐的加熱元件坩鍋以及爐中的元件

碳與石墨的耐高溫性能極佳但高於 800degC(1470degF)時容

易產生氧化應用上受到限制由於特殊耐火材料的性質

十分獨特可以預期其價格十分昂貴

137 耐火材料(Refractories)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 62

bull 磨料陶瓷(abrasive ceramics)是用來磨除研磨或切除其

他較軟的材料因此這類材料的首要考慮是硬度高且耐

磨耗此外也須提高韌性來減少磨料的破壞在磨除過

程中磨擦面會產生高熱故磨料陶瓷也必須具有耐高溫

特性

bull 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽(SiC)碳化鎢

(WC)氧化鋁(剛玉)及矽砂

bull 磨光研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的

磨料這些磨料的顆粒尺寸範圍很大包括鑽石剛玉

碳化矽及鐵丹(氧化鐵)等

138 磨料(Abrasives)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 63

139 水泥 (Cements)

bull 石膏粉熟石膏及石灰這幾種常見的陶瓷材料稱為無

機無機水泥(cements)這些材料的用量極大

bull 波特蘭水泥中有數種不同的組成主要有矽酸三鈣

(3CaO-SiO2)及矽酸二鈣(2CaO-SiO2)加入的水與波

特蘭水泥各組之間複雜的水合反應決定了此種水泥的凝

結與硬化過程例如涉及矽酸二鈣的水合反應為

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 64

圖 137 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料淺色區域 A12O3

磨料之顆粒灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙放大 100 倍

139 水泥 (Cements)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 65

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

bull 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷但是最近開

發出的新陶瓷稱為先進陶瓷特別適合在高科技的應用

上尤其是陶瓷的電性磁性光學性質以及特有的性質

組合皆已經利用來製成各種製品第12章曾討論一些這

類製品

bull 此外先進陶瓷也應用在光纖通訊系統微機電系統

(MEMS)製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性

質以下將逐一探討這些主題

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 66

壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics )

bull 有一些陶瓷(以及一些高分子)具有特殊的壓電性

(piezoelectricity)-當陶瓷晶體產生機械應變(尺寸改

變)時就會產生電極化(electricpolarization亦即產生

電場或電壓)而這類材料所表現出的壓電逆效應則是

作用電場導致材料的尺寸發生變化

bull 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇(barium titanate)鋯鈦酸鉛

(lead zirconatetitanate PZT)鈦酸鉛(lead titanate)

與鈉鉀鈮酸鹽(sodium-potassiumniobate)

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 67

微機電系統 (Microelectromechanical SystemsMEMS)

bull 微機電系統 (簡稱 MEMS)是一種微型智慧系統(16

節)包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材

bull MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同包括光蝕

刻離子植入腐蝕與被覆等已經發展完整的科技此外

也有些製程利用微加工的技術MEMS 元件十分精密可

靠與小尺寸因為上述的製程技術皆可以批次生產

MEMS 科技非常經濟且價格效能優異

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 68

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

圖 138 掃描式電子

顯微鏡照片顯示

MEMS 線性齒條齒

輪的減速機構圖

中齒輪的旋轉運動

轉(左上)變成線性運

動以驅動線性尺

條(右下)大約放大

100 倍

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 69

光纖 ( Optical Fibers )

bull 現代光通訊系統中最重要的元件光纖其材料是一種新的

先進陶瓷

bull 光纖(optical fiber)是由極高純度的氧化矽所製成甚至

連極低含量的雜質與缺陷都不允許因為這會吸收散射

或減弱傳送的光束已經開發出先進精密的製程以製

造符合這種嚴苛要求的光纖1914 節中將討論光纖以及

其在通訊中的角色

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 70

陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings )

bull 另一項陶瓷材料的新應用是軸承軸承包括球與座圈使

用時球與座圈相互接觸與摩擦過去球與座圈都是以軸承

鋼製成軸承鋼具有高硬度極度耐腐蝕且可以拋光成

非常光滑的表面

bull 全陶瓷軸承(陶瓷球與陶瓷座)已應用於部分嚴重腐蝕的

場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承發展中所面臨的

挑戰包括生產無孔隙材料的製造程序生產經過加工量

最低的圓球以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平

滑的表面

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 71

圖 139 鑽石

薄膜的掃描式電

子顯微鏡照片

照片中可見許多

多面的微小結

晶放大 1000倍

1310 先進陶瓷(Advanced Ceramics)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 72

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

鑽石 ( Diamond )

bull 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料已知

材料中硬度最高及非常低的導電度這些性質歸因於其結

晶構造及非常強大的共價鍵此外鑽石是非金屬材料

中具有不尋常的高導熱度對於電磁光譜中的可見光及

紅外線有透明性並具有很高的折射率

bull 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市鑽石膜成長的技術

包括汽態的化學反應及薄膜的沉積最大的厚度可達數公

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 73

石墨 ( Graphite )

bull 石墨的結構如圖 17 所示39 節的討論中提到的石墨六邊

形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵因此層狀間的鍵結力

十分薄弱層面間的破斷面平整使得石墨具有良好的潤

滑能力此外平行於六邊面間結晶方向的導電度相當

bull 石墨其他優異的性質包括高溫及非氧化環境中具有高強

度及高安定性高導熱性低熱膨脹係數耐熱震吸收

氣體能力佳加工容易石墨常用來作為電爐的加熱元

件電弧焊的電極電路接點電刷與電阻器及電池的

電極應用於冶金用坩堝金屬與陶瓷的鑄模高溫耐火

材及絕熱材料火箭噴嘴化學反應槽及空氣清淨裝置

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 74

高分子的種類(Types of Polymers)

bull 我們熟知許多種的高分子材料其用途十分廣泛包括塑

膠彈性體(或橡膠)纖維鍍層黏著劑泡沫塑膠以

及薄膜

bull 一種高分子材料可以應用在二種或更多的場合例如

經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠可能是

個適用的彈性體另外纖維材料在未抽拉成絲前也可

以作為塑膠在此對高分子材料作一扼要說明

1311 鑽石與石墨(Diamond and Graphite)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 75

1312 塑膠 (Plastics)

bull 各種高分子材料中以塑膠的種類最多聚乙烯聚氯乙

烯聚苯乙烯氟碳化合物環氧樹脂酚類及酯類都可

歸類為塑膠

bull 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態(線

分枝順排等)塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種實際

上塑膠常以這個性質來分類表 1312 中列舉了多種塑

膠的商標名稱特性及典型應用例

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 76

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 77

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 78

表 1312 數種塑膠的商標名稱特色及典型應用實例

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 79

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 80

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 81

表 1312 (續)

1312 塑膠 (Plastics)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 82

1313 彈性體(Elastomers)

bull 彈性體的變形機構已於 819節中說明在本節中將討論彈

性體的種類表 1313 中列舉了常見彈性體的性質與應用

例表中所列只是典型的數值實際性質與硫化程度及是

否使用強化物有關

bull 目前仍然使用大量的天然橡膠因為其具有優異的性質組

合最重要的合成彈性體為 SBR以碳黑強化後主要使用

在汽車輪胎另一種常見的合成為彈性 NBR對於退化

及膨脹的抵抗性優異

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 83

1313 彈性體(Elastomers)

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 84

表 1313 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 85

bull 聚矽氧橡膠(silicone rubber)這些材料中交替的矽及氧

原子取代主要的碳鍵

其中 R 與 Rlsquo 代表側鍵原子如氫或是如 CH3 的原子

團例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為

當然這些彈性體為交聯的材料

1313 彈性體(Elastomers)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 86

1314 纖維 (Fibers)

bull 纖維(fiber)高分子可以抽成長絲長度mdash直徑的比值可

達 100 1紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣

物或布料此外 Aramid(芳香族聚胺基)纖維則用於

複合材料之中

bull 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性

質也就是熔點與玻璃相轉移溫度此外纖維高分子必

須於許多的環境中保持化學安定性包括酸性鹼性漂

白液乾洗溶劑及日光等環境中再則纖維高分子也需

要不易燃且易於曬乾

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 87

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

塗膜 ( Coatings )

bull 塗膜被覆在材料表面以提供下列一項或多項的目的

(1)保護物品避免受到腐蝕或退化

(2)增加物品美觀

(3)提供物品電絕緣性塗膜的成份有很多是高分子

且以有機高分子居多

bull 有機塗膜可分為油漆塗料天然漆蟲膠

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 88

黏結劑 ( Adhesives )

bull 黏結劑 用來黏結兩個固體材料的表面並使結合的物體具

有高剪力強度黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式

類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力

bull 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠熱固性樹脂

彈性體化合物而天然黏結劑(動物膠酪蛋白漿糊及

樹脂)也具有黏結的功能

bull 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料金屬-金屬金屬

-塑膠金屬-陶瓷等等

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 89

薄膜 ( Films )

bull 高分子材料在最近常作成薄膜(films)使用薄膜的厚度

在 0025 到 0125 mm 間(0001 到 0005 英吋)廣泛作成

食品及其他商品的包裝袋或紡織品及其他許許多多的

用途

bull 作為薄膜所需的特性有低密度高撓性高抗拉及撕裂

強度對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力而且透

氣(尤其是水蒸氣)性低符合這些要求而作成薄膜的高

分子材料有聚乙烯聚丙烯賽璐玢及乙酸纖維素

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 90

發泡塑膠 ( Foams )

bull 發泡塑膠 (foams)為含有大量孔隙的塑膠熱塑性及熱

固性塑膠都可以作成發泡塑膠包括聚胺脂橡膠聚苯

乙烯與聚氨乙烯

bull 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊包裝材料與絕熱材

料發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑發泡劑釋

放出氣體使具流動性的流質材料產生氣泡這些氣泡在

溫度下降時成為孔隙最後產生近似海綿的組織

1315 各種應用例(Miscellaneous Applications)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 91

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

bull 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料部

分已應用於高科技領域中或是取代現有的材料

bull 這類高分子包括超高分子量聚乙烯液晶高分子與熱塑性

彈性體以下將討論這些材料

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 92

超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene )

bull 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是具有極高分子量的線性

高分子其一般 大約為 4 times 106 gmol 大於高密度聚乙烯

有一個冪次(亦即 10 倍)之多

bull UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 93

這種材料所具有的不尋常特性包括

bull 1 極佳的耐衝擊性能

bull 2 極佳的耐磨與摩擦性

bull 3 非常低的耐磨耗係數

bull 4 具有自潤滑與不沾黏的表面

bull 5 對於常見溶劑有優異的化學抵抗

bull 6 極佳的低溫性質

bull 7 優異的吸震與能量吸收性能

bull 8 電的絕緣體與優異的介電性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 94

液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers )

bull 液晶高分子 (liquid crystal polymersLCPs)這一類材料

的化學組成複雜且結構與眾不同具有獨特的性質可應

用於多種不同的場合

bull 液晶高分子可分為三種

層列型(smectic)

向列型(nematic)

膽固醇型(cholesteric)

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 95

圖 1310 熔融與固態下分子結構的示意圖(a) 半結晶體

(b) 非晶質與 (c) 液晶高分子

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 96

bull 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體基於此而

產生許多性質與製造特性的組合因而在商業上有許多的

應用例如這種材料有下列的行為

1 優異的熱穩定性可使用在高達 230degC(450degF)

2 勁度與強度其彈性模數介於 10 與 24 GPa(14 times106與35

times106 psi)而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18000 至

37000 psi)

3 高衝擊強度且可維持至相當低的溫度

4 對於許多酸溶劑與漂白劑具有化學穩定性

5 本質上具有防火性其燃燒後的產物大致上不具毒性

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 97

bull 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互

作用力非常大下列為其處理與製造特性

1 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程

2 模製時產生的收縮與翹曲極低

3 不同零件間的尺寸重複性極高

4 低熔融黏滯性故可模製薄斷面複雜形狀的產品

5 低熔解熱故可急速熔融與急冷降低模製循環的時間

6 成品的性質具有異向性模製時的溶液流動產生分子指向

的效應

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 98

熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers )

bull 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomersTPEs 或 TEs)

為一分子材料在室溫下具有彈性體(或橡膠)行為然

而卻是熱塑性材料(49 節)

bull 在許許多多的應用上熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性

體TPEs 的典型應用包括汽車外飾(保險桿儀表板

等)車蓋下元件(電絕緣與連接器以及襯墊)鞋底與

鞋跟運動器材(如橄欖球與足球)醫學阻絕膜與保護

性鍍層以及密封劑填隙與膠黏劑的組成

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 99

圖 1311 (a) 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(S-B-S)與 (b) 苯乙烯-異戊

二烯-苯乙烯(S-I-S)熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)

第十三章 材料的種類與應用 100

圖 1312 熱塑性彈性體

的分子結構示意圖

結構中包含鏈中央為

軟的單體單元片段

(聚合丁二烯或異戊

二烯)與鏈末端的高

硬度分子域(苯乙

烯)高硬度分子域

在室溫具有物理交聯

的功能

1316 先進高分子材料(Advanced Polymeric Materials)