【中學(xué)】科技與材料

科技與材料

10-1材料概論

10-2科技與奈米材料

10-3材料科學(xué)與生活Chapter10整理課件科技的發(fā)展需藉材料的開發(fā)做基石，材料一直與人類的發(fā)展息息相關(guān)，人類的生活演進(jìn)，除了思想觀念外，物質(zhì)的發(fā)明扮演著相當(dāng)重要的角色。從日常生活到航天科技、生醫(yī)科技、光電科技及光學(xué)工業(yè)、汽車及造船工業(yè)、通訊技術(shù)及五金機(jī)械等方面無所不包，這完全歸功于科技材料進(jìn)步的成果。整理課件10-1材料概論常見的材料可分成金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料、電子材料及通訊材料等類。10-1-1金屬材料（Metallicmaterial）金屬材料通常指工業(yè)上各種物質(zhì)制造時所使用之金屬或合金。金屬材料有時也包含一些非金屬元素的無機(jī)材料。多種金屬元素結(jié)合或金屬元素與非金屬元素結(jié)合的金屬材料稱為合金，整理課件如鐵與碳所形成的合金稱為碳鋼；銅與錫的合金稱青銅。金屬材料依使用金屬的不同，大致可分為兩大類：第一類是以金屬鐵（Fe）為主，并含有其他元素的合金，鐵元素所占的比率較高，如鋼、不銹鋼；第二類為非鐵金屬的金屬材料，如銅（Cu）、鋁（Al）、鎳（Ni）、鈦（Ti）等。不銹鋼是由鐵、鉻、碳及其他不同元素所組成的合金，不銹鋼產(chǎn)品如餐具、廚具、門、窗、機(jī)械零件、水塔、室內(nèi)裝潢、3C產(chǎn)業(yè)（通訊、計算機(jī)與消費性電子產(chǎn)品）、醫(yī)療及航天材料等。整理課件高清凈化的合金發(fā)展，乃指合金在特定的設(shè)計及制造過程中，其內(nèi)部缺陷的控制或抑制以達(dá)特定的低限值，進(jìn)而使合金具有優(yōu)異的機(jī)械、化學(xué)或物理性能，此等高清凈度的合金可應(yīng)用在計算機(jī)屏幕網(wǎng)罩、生醫(yī)材料的人工關(guān)節(jié)及醫(yī)療器材（高清凈的鈦基和鈷基合金），其他如飛機(jī)引擎零組件、特殊切削工具、機(jī)械用高負(fù)荷軸承等等，無一不是高清凈度的合金。整理課件10-1-2高分子材料（Polymericmaterial）高分子材料亦稱為聚合物材料，其化學(xué)組成是由碳、氫和其他非金屬元素為基礎(chǔ)而組成的高分子化合物，此類材料通常具有非常大的分子結(jié)構(gòu)、低密度、性能柔軟等特性，高分子材料中比較重要的兩種材料分別為塑料材料與彈膠體材料。彈膠體材料即為橡膠材料，可用來制作汽車輪胎、保齡球等；塑料為聚合反應(yīng)所合成的鏈狀物質(zhì)。整理課件兩制程中由許多被稱為單體（monomer）的小分子以產(chǎn)生共價鍵的方式相結(jié)合，形成相當(dāng)長的長鏈分子此稱為聚合物或高分子化合物。塑料主要成份是樹脂（resin），次要成份有填充料（filler）、可塑劑（plasticizer）、安定劑（stablizer）、溶劑（solvent）、固化劑（fixer）、著色劑（colorant）、潤滑劑（lubricant）等。塑料在結(jié)構(gòu)上一般可分為熱塑性（theromplastic）及熱固性（theromsetting）高分子化合物。熱塑性高分子化合物，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯整理課件、聚酰胺（polyamide，尼龍nylon）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，鐵氟龍Teflon）等等，其特性是：1.少架橋（cross-links）2.加熱后立即軟化3.可雕塑成不同形狀物質(zhì)4.無延伸支鏈熱固性高分子化合物，有酚甲醛樹脂（Phenolformaldehyderesin）、尿醛樹脂（Ureaformaldehyderesin）、環(huán)氧樹脂（Epoxy）、聚胺基甲酸酯（Polyurethane）等整理課件其特性是：1.有許多架橋（cross-links）2.加熱后立即硬化3.不易產(chǎn)生形變4.加熱后架橋的鏈會分裂5.溶解前可燃燒等特性。常見塑料的性質(zhì)與用途，列于表4-1和表4-2。整理課件整理課件整理課件應(yīng)用的領(lǐng)域除日常生活包裝、用具、器皿外，也應(yīng)用在工業(yè)方面（如：機(jī)械配件、黏著劑、電路模板、安全玻璃等等）、醫(yī)學(xué)方面（如：假牙、人工關(guān)節(jié)、義肢、人工心臟瓣膜等等）、科學(xué)方面（如：實驗器材、原子模型、儀器外殼等等）、建筑方面（如：泡沫塑料用于隔熱、強(qiáng)化聚酯塑料美觀建材等等）等。4-1-3陶瓷材料（Ceramicmaterial）陶瓷材料在工程應(yīng)用上大致可分為兩類型：一為傳統(tǒng)陶瓷，另一為工程陶瓷。傳統(tǒng)陶瓷的基本原料有黏土、石英和長石三種。整理課件各種日用品、工藝品與裝飾品等生活相關(guān)用品，建筑業(yè)所用的磚、瓦和電子工業(yè)中的電子陶瓷，皆是傳統(tǒng)陶瓷的代表例子。工程陶瓷的原料則為純凈或幾近純凈的化合物，如氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4），通常做為工業(yè)用耐火材料、功能陶瓷（具有熱、電、聲、光、磁、氣等功能相互轉(zhuǎn)換特性的功能）、生物陶瓷（用在人體或動物肌體具特殊生理功能）。整理課件10-1-4復(fù)合材料（Compositematerial）藉組合兩種或多種不同的材料，形成一種在某方面具有比單一組成材料更好或更重要性質(zhì)的新功能材料，如合金、高分子材料、普通碳鋼、玻璃纖維強(qiáng)化塑料等。纖維強(qiáng)化塑料為產(chǎn)業(yè)界最常使用的復(fù)合材料，強(qiáng)化塑料材料的纖維主要有三類：玻璃纖維、酰胺纖維及碳纖維，其中玻璃纖維是使用最廣泛，也是最經(jīng)濟(jì)的的強(qiáng)化纖維。整理課件10-1-5電子材料（Electronicmaterial）用于電子方面特別視微的材料稱為電子材料，如硅（Si）、鎵（Ga）、鍺（Ge）等，電子材料是所有電子組件的基礎(chǔ)，新的技術(shù)發(fā)展出新的組件，如半導(dǎo)體組件、集成電路等。半導(dǎo)體（semiconductor）是導(dǎo)電性介于金屬與絕緣體間的材料，如硅（Si）、鍺（Ge）等，此族中添加IIIA族元素，如硼（B）、鎵（Ga）等，而成為p-型半導(dǎo)體；加入VA族元素，如氮（N）、砷（As）等，則形成n-型半導(dǎo)體。整理課件10-2科技與奈米材料物質(zhì)小到奈米（1nm=10-9m）尺寸時會產(chǎn)生新特性，包括量子效應(yīng)及表面效應(yīng)，奈米材料（nanomaterials）將是產(chǎn)業(yè)升級的催化劑與觸媒。奈米是衡量尺寸大小的單位，奈米與食物沒有任何關(guān)聯(lián)，一奈米是一公尺的十億分之一，到底有多小呢?人發(fā)的直徑大約是八萬奈米。以一公尺高的小女孩為標(biāo)準(zhǔn)，逐步縮小尺度，在奈米尺度下，可以觀察到這個小女孩的DNA分子結(jié)構(gòu)。整理課件奈米級結(jié)構(gòu)材料，一般指其晶體大小介于1~100nm范圍之間。主要特性有：

(一)由于其尺寸接近光波長，加上其具有大表面積的特 殊效應(yīng)，因此所表現(xiàn)出的特性往往不同于塊材材料 (bulkmaterial)之性質(zhì)，如磁性、光學(xué)、熱傳、擴(kuò)散 及機(jī)械性等。（二）奈米材料的晶相或非晶質(zhì)排列結(jié)構(gòu)與一般同材 料在塊材中之結(jié)構(gòu)不同。（三）可使原本無法混合的金屬或聚合物混合而成合金。整理課件10-2-1自然界中的奈米結(jié)構(gòu)產(chǎn)物蜜蜂身體內(nèi)存在一種磁性的奈米粒子，有羅盤的功能，成為蜜蜂飛行時的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，蓮花出污泥而不染，中國古代中的鑄劍大師，已創(chuàng)造了奈米晶體的結(jié)構(gòu)，凡鐵鑄成寶劍不銹蝕，又能削劍如泥。整理課件10-2-2奈米應(yīng)用商品化廣泛用于觸媒化學(xué)、生物科技、醫(yī)療、分子工學(xué)、粉體材料、環(huán)境、能源等，「鯊魚膚」具有精確定義表面粗糙的塑料薄膜，涂在飛機(jī)表面上，即可減少流體阻力，使燃料消耗降低大約3%；蓮花出淤泥而不染的效應(yīng)，也將使擦洗窗戶和墻壁成為歷史，因為雨水可以沖刷污垢，德國有名的清潔公司Henkel和DegussaHuls就推出室外防塵粉刷漆料，雨水一來就清潔溜溜。整理課件汽車窗戶玻璃的化學(xué)材料「聚碳酸酯」，高耐刮強(qiáng)度，而這項新技術(shù)就是以化學(xué)奈米為基礎(chǔ)開發(fā)出來的。奈米科技在醫(yī)藥及生技上應(yīng)用也將起革命性的變化。發(fā)展微機(jī)電的送藥膠囊，將藥劑微小化放進(jìn)人體中，可控制釋藥量與時間，對長期且固定服藥的患者來說，可達(dá)到按時服藥，又不易忘記的好處；傳感器則可利用微機(jī)電方式將內(nèi)視鏡微小化，且制做成膠囊型，直接服用即可達(dá)到偵測體內(nèi)血管、腸胃的效果，可能偵測到大腦、心臟等更細(xì)微的器官組織。整理課件10-3材料科學(xué)與生活食、衣、住、行、育、樂、醫(yī)療、通訊，乃至太空發(fā)展及國防等，無一不與材料相關(guān)聯(lián)。4-3-1材料應(yīng)用在日常生活如防火、防震建材使我們住的安全有保障；尼龍、達(dá)特龍及人造纖維的發(fā)明使得衣服的質(zhì)料更舒適更保暖；復(fù)合材料中的碳纖維應(yīng)用在腳踏車的制造，使得腳踏車工業(yè)再度受重視；磁浮列車的開發(fā)將可大大縮短南北的距離；光盤CD、影碟LD等聲光產(chǎn)品的問世，使得人類的生活獲得調(diào)適。由于半導(dǎo)體材料的發(fā)展，使得電子材料體積大大地縮小，由真空管時代經(jīng)晶體管到現(xiàn)在的集成電路（IC化），功能廣度也增加不少，輕薄短小、速度快、易攜帶等，是現(xiàn)在的特色。整理課件激光技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上進(jìn)行開刀手術(shù)、切割；人工關(guān)節(jié)、假牙等生醫(yī)材料；傳感器應(yīng)用醫(yī)學(xué)上的偵檢，提高了醫(yī)療效果。10-3-