第 12 章 機械應用之特殊材料 12-1 陶瓷材料 12-2 高分子材料 12-3 複合材料 12-4 電子材料 12-5 磁性材料

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1 第 12 章 機械應用之特殊材料 12-1 陶瓷材料 12-2 高分子材料 12-3 複合材料 12-4 電子材料 12-5 磁性材料
12-1 陶瓷材料 12-2 高分子材料 12-3 複合材料 12-4 電子材料 12-5 磁性材料 12-6 光電材料 12-7 其他材料 總目錄

2 陶瓷材料 陶瓷材料為一種含有金屬及非金屬元素，以離子鍵或共價鍵結合的複雜化合物或固溶體。一般具有硬、脆、熔點高、耐壓耐高溫、導電導熱度低、化學穩定性高等特性。陶瓷還具有介電性、壓電性、半導體及軟硬磁性等，為電子、航太等高技術領域關鍵材料，其用途愈來愈廣泛。 節目錄

3 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途》
一、種類、成分 陶瓷材料依原子排列方式來區別有結晶陶瓷、非 結晶陶瓷與介於兩者之間的玻璃陶瓷（玻璃經熱 處理使其結晶）三種，如表 12-1。 《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途》 分類 類型 種類 成分（wt%） SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO 其他 結晶陶瓷 矽酸鹽陶瓷 矽氧耐火材 96 - 4 黏土耐火材 50-70 45-25 5 莫來石耐火材 28 72 電器瓷器 61 32 6 1 上一頁 節目錄

4 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》
《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》 分類 類型 種類 成分（wt%） SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO 其他 結晶陶瓷 矽酸鹽陶瓷 塊滑石瓷器 64 5 - 30 1 波特蘭水泥 25 9 2 非矽酸鹽氧化物陶瓷 氧化鋁耐火材 氧化鎂耐火材 尖晶石 MgAl2O4 氧化鈹 BeO 上一頁 節目錄

5 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》
《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》 分類 類型 種類 成分（wt%） SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO 其他 結晶陶瓷 非矽酸鹽氧化物陶瓷 氧化釷 - ThO2 二氧化鈾 UO2 安定及部分安定氧化鋯 ZrO2 鈦酸鋇 BaTiO3 鐵酸鎳 NiFe2O4 非氧化物陶瓷 碳化矽 SiC 氮化矽 Si3N4 上一頁 節目錄

6 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》
《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》 分類 類型 種類 成分（wt%） SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO 其他 結晶陶瓷 非氧化物陶瓷 碳化鈦 - TiC 碳化鉭 TaC 碳化鎢 WC 碳化硼 B4C 氮化硼 BN 石墨 C 非結晶陶瓷 Na2O 上一頁 節目錄

7 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》
《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》 分類 類型 種類 成分（wt%） SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO 其他 玻璃陶瓷 Li2O- Al2O3- SiO2 系 74 16 TiO2 MgO-Al2O3- SiO2 系 65 19 9 Li2O- MgO- SiO2 系 73 7 Li2O、B2O3 Li2O- ZnO- SiO2 系 58 Li2O、ZnO 上一頁 節目錄

8 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》
《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》 分類 類型 種類 用途 結晶陶瓷 矽酸鹽陶瓷 矽氧耐火材 耐火材、水泥、磁磚、陶瓷器、釉瓷等。 黏土耐火材 莫來石耐火材 電器瓷器 塊滑石瓷器 波特蘭水泥 上一頁 節目錄

9 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》
《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》 分類 類型 種類 用途 結晶陶瓷 非矽酸 鹽氧化物陶瓷 氧化鋁 耐火材 精密陶瓷，磨料、刀具、人工關節、電子材料。 氧化鎂耐火材 精密陶瓷。 尖晶石 精密陶瓷、磁性材料。 氧化鈹 氧化釷 二氧化鈾 精密陶瓷、核反應器燃料。 安定及部分安定氧化鋯 精密陶瓷、構造用材料、絕熱塗層。 鈦酸鋇 鐵酸鎳 上一頁 節目錄

10 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》
《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》 分類 類型 種類 用途 結晶陶瓷 非氧化物陶瓷 碳化矽 磨料、軸承滑動件、密封件、發熱元件。 氮化矽 發動機零組件、冶金加熱元件、軸承、密封環。 碳化鈦 耐熱耐高溫抗變形元件。 碳化鉭 碳化鎢 碳化硼 氮化硼 石墨 上一頁 節目錄

11 《表12-1 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》
《表 陶瓷依原子排列方式分類及其成分、用途（續）》 分類 類型 種類 用途 非結晶陶瓷 SiO2 矽酸玻璃。 Na2O 修飾型矽酸玻璃、玻璃纖維材料。 玻璃陶瓷 Li2O- Al2O3- SiO2 系 烹飪器、雷達、感光玻璃、絕熱陶瓷纖維。 MgO- Al2O3- SiO2 系 Li2O- MgO- SiO2 系 精密陶瓷、感光玻璃、絕熱陶瓷纖維。 Li2O- ZnO- SiO2 系 上一頁 節目錄

12 陶瓷可分傳統陶瓷及精密陶瓷二種，其中最主要的差別在於內部缺陷的多寡，說明如下。 （一）傳統陶瓷
一般常用之陶瓷器品材料，由三個基本成分組成，黏土（鋁矽酸鹽和少量氧化物 TiO2、Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O 混合，提供燒製硬化前可加工性）、矽石（SiO2 又稱燧石或石英，提高熔點）及長石（有較低熔點）。 上一頁 節目錄

13 而其生產製造方式為：原料粉碎及釉藥混合→製胚成形→乾燥→素燒→上釉→本燒→彩繪→燒成。
其用途有日常用陶瓷衛浴器具、建築瓷磚陶、瓷藝術器皿及電器陶瓷（絕熱器、隔熱片）等。 上一頁 節目錄

14 (1) 氧化鋁（Al2O3）：耐熱，適用切削刀具、 磨料等。
（二）精密陶瓷 其主要成分都是氧化物、碳化物、氮化物，以人工方式合成，其製造方式如粉末冶金製程為：原料製粉→與黏結劑混合→加壓→成形（低溫或高溫）→燒結，依用途可分： 1. 工程用陶瓷 (1) 氧化鋁（Al2O3）：耐熱，適用切削刀具、 磨料等。 上一頁 節目錄

15 (2) 碳化矽（SiC）：強度熱傳導及化學性穩定優良，適用刀具、磨料、渦輪引擎葉片等。
(3) 氮化矽（Si3N4）：強韌、絕緣、耐蝕、熱膨脹性優，適用研磨工具、渦輪葉片、火星塞絕緣體耐熱密封件等。 (4) 氧化鋯（ZrO2）：強度韌性高，適用刀具、軸承、塊規、感測器零件等。 上一頁 節目錄

16 耐久無毒、不排斥且親和性高，適用人工關節、人造齒根等。
2. 電子用陶瓷 最具代表之材料為鈦酸鋇（BaTiO3），其適用於電容器、電阻器、積體電路封裝及基板（Al2O3、氮化鋁、SiC、BeO 等）、壓電材（鈦酸鉛 PbTiO3、鋯酸鉛 PbZrO3）及磁性材（Fe2O3、錳鋅或鎳鋅鐵氧磁體、鋇鐵氧磁體）等。 3. 生醫用陶瓷（氧化鋁及磷灰石） 耐久無毒、不排斥且親和性高，適用人工關節、人造齒根等。 上一頁 節目錄

17 二、製造過程 玻璃為非晶質材料，無固定熔點和凝固點、性 質（硬脆、抗腐蝕），屬於非晶質陶瓷材料。
結晶陶瓷製程有以下三步驟：成形（壓製、 均壓、擠製、拉坯、鑄造）→乾燥→燒結三步 驟 ，如圖 12-8。 2. 一般陶瓷製程為原料→製粉→成形→燒 結→ 加工→處理→測試→成品，如圖 12-9。 3. 玻璃成形製程為熔融→成形（壓製、吹 製、抽絲、鑄造） ，如圖 12-10。 上一頁 節目錄

18 《圖 結晶陶瓷之成形》 上一頁 節目錄

19 《圖12-9 一般陶瓷製程》 上一頁 節目錄 圖片來源：
%BF%E7%9F%B3%2C%E9%92%BE%E9%95%BF%E7%9F%B3%E7%B2% %2C%E7%9F%B3%E8%8B%B1%E7%B2%89.jpg 2. 3. chinery.net/supplier/product_details.asp?ProID=1316&SupID=2953 4. 5. 6. 7. %93%B7%E9%94%AF%E7%89%87.jpg 《圖 一般陶瓷製程》 上一頁 節目錄

20 《圖 玻璃成形製程》 上一頁 節目錄

21 三、機械應用上性質 陶瓷材料在機械應用上須特別注意的性質有如下。
1. 脆性斷裂：陶瓷因無明顯塑性變形，所以容 易產生脆性破壞，利用相變化處理可改善。 2. 疲勞：因內部化學機構改變微結構造成，控 制使用溫度可避免疲勞產生。 上一頁 節目錄

22 潛變：因陶瓷常在高溫使用，晶界兩邊晶粒產生滑動發生潛變變形，內部雜質及缺陷減少可防止。
熱衝擊：因陶瓷質脆又在高溫使用，因溫度改變而產生斷裂，控制升降溫速度所產生的熱膨脹及內應力。 上一頁 節目錄

23 高分子材料 多個單體因聚合反應而結合成一巨大分子稱為高分子材料，又稱為聚合物，俗稱塑膠。因具有質輕、耐蝕、絕緣、易加工等特性廣用於日常用品（玩具、文具、家庭器具、塗料、黏著劑等）及工程構造及功能材料（汽車外殼、車輪、保險桿、電子零件原料、複合材料基材等）。高分子材料應用於機械上需考量的是抗拉強度（撓性、抗彎曲）、彈性係數、潛變（應力鬆弛）等。 節目錄

24 一、成分及種類 高分子材料可分為熱塑性（加熱時材料會變軟易加工變形，可重複加熱塑形不影響其性質）及熱固性（加熱時材料變硬且有剛性，無法再加熱塑形和熔解）兩大類，其各別性質及用途說明如下： 上一頁 節目錄

25 1. 熱塑性聚合物 為線性聚合物分子，大分子間只靠次鍵 結合，加熱到一定溫度分子彼此很容易 相互滑動而變形。此種聚合物可重複加 熱塑形，不會影響其性質。一般常見有 聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚 丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、ABS 塑 膠、壓克力（PMMA）等。 上一頁 節目錄

26 2. 熱固性聚合物 為立體網狀分子結構，高溫時更會促進網狀結構形成，冷卻時依然保持此結構，所以具剛性不易發生變形。此種聚合物即使溫度再升高，也不會軟化，是為不可逆之硬化過程。一般常見有酚醛樹脂（電木）、聚胺酯（PU）、胺基樹脂（尿素樹脂）、環氧樹脂（EP）等。 上一頁 節目錄

27 二、製造過程 3. 橡膠 為天然或人造的線性聚合物，具彈性、耐油、耐疲勞、耐天候變化之特性，多用於機械及汽車工業等。
3. 橡膠 為天然或人造的線性聚合物，具彈性、耐油、耐疲勞、耐天候變化之特性，多用於機械及汽車工業等。 二、製造過程 高分子材料分為熱塑性及熱固性兩種，其製造成形方式不太一樣。 上一頁 節目錄

28 擠製：粒狀熱塑性聚合物利用螺桿將原料推向加熱區，使軟化或熔化再推向模具出口，如圖 12-11 所示。
一般熱塑性聚合物加熱軟化後成形再冷卻硬化（如射出、擠製、吹製、滾軋等）；熱固性聚合物則採未聚合或部分聚合的原料再加熱，使其完全聚合成空間網狀結構，不必冷卻即可自模內取出（如壓模、移模等）。 擠製：粒狀熱塑性聚合物利用螺桿將原料推向加熱區，使軟化或熔化再推向模具出口，如圖 所示。 2. 射出成形：將擠製的開放模具改為封閉模，模子由上下模組合中間為模穴（工件成品），如圖 所示。 上一頁 節目錄

29 《圖 聚合物擠製成形》 《圖 聚合物射出成形》 上一頁 節目錄

30 壓模成形：熱固性聚合物製程，將未聚合或未完全聚合的原料置於下模內，再將上模壓入並加熱，不需冷卻即可取出，如圖 12-14。
吹製：製作瓶罐類，將軟化聚合物壓出初期形狀，再將此胚形置入模具中，由模具出口吹入空氣，利用壓力差將聚合物擴張貼緊模壁，如圖 所示。 壓模成形：熱固性聚合物製程，將未聚合或未完全聚合的原料置於下模內，再將上模壓入並加熱，不需冷卻即可取出，如圖 12-14。 5. 滾軋成形：將聚合物熔融置入一組小間隙的輥筒中逐步滾軋，得到聚合物板材或薄膜，如圖 所示。 上一頁 節目錄

31 《圖 聚合物吹製成形》 上一頁 節目錄

32 《圖 聚合物壓模成形》 《圖 聚合物滾軋成形》 上一頁 節目錄

33 6. 板成形：又稱真空吸附法，將板狀熱塑性聚合物周圍夾住加熱後，利用氣壓或重力使板材貼緊模具外形的方式，如圖 12-16 所示。
6. 板成形：又稱真空吸附法，將板狀熱塑性聚合物周圍夾住加熱後，利用氣壓或重力使板材貼緊模具外形的方式，如圖 所示。 紡絲法：熱塑性聚合物加熱至低黏滯狀態，再以加壓噴出或用縲縈方式製成絲狀，熱固性聚合物速度較慢，由紡嘴噴出之絲需在浴中進行聚合反應，如圖 所示。 8. 發泡成形及塗布方式：熱塑或熱固聚合物皆可使用。 上一頁 節目錄

34 《圖 聚合物板狀成形》 《圖 聚合物紡絲成形》 上一頁 節目錄

35 複合材料 複合材料是由 2 種或 2 種以上互不相溶，且有不同型態和化學成分的物質，在微小尺度或巨觀尺度下所結合或混合而成的新材料。其具有低密度、低膨脹、高強度、高剛性、高疲勞強度等特性，廣用於交通運輸及航太科技工業。 節目錄

36 一、成分及種類 複合材料內部有 2 個基本相， 分別為基材與強化材。
1. 基材：主要將強化材相結合在一起或多種基材之一種，提供韌性及保護強化材，例如聚合物、陶瓷或金屬等。 2. 強化材：提供強度，其形式有纖維狀（玻璃纖維、碳纖維、塑膠纖維、陶瓷纖維、金屬纖維）、顆粒狀或板狀。 上一頁 節目錄

37 複合材料分類及其特性、用途，如表 12-4。 《表12-4 複合材料分類及其特性、用途》 分類 種類 特性 用途 纖維複合材
《表 複合材料分類及其特性、用途》 分類 種類 特性 用途 纖維複合材 塑膠基纖維複合材（PMC） 金屬基纖維複合材（MMC） 陶基纖維複合材（CMC） 極大比強度及比係 數、韌性大、耐蝕 耐磨耐熱性佳、易 加工成形。 運動器材、化學工業槽、瓶、管、直昇機螺旋槳、尾翼外殼、火箭引擎外殼、防彈衣、飛機煞車盤、噴嘴等。 上一頁 節目錄

38 《表12-4 複合材料分類及其特性、用途（續）》
《表 複合材料分類及其特性、用途（續）》 分類 種類 特性 用途 粒狀複合材 燒結硬質 散布強化 黏結碳化物耐熱耐磨、韌性佳、硬度高。 切削工具、電接觸材料、鑄模等。 板狀複合材 積層板 硬面材 覆面金屬 雙金屬 質輕、高強度、提高耐蝕耐磨性、特殊膨脹性、美觀、低價。 合板、安全玻璃、印刷電路板、硬面銲、飛機蒙皮、熱交換器、斷電器、熱阻器。 上一頁 節目錄

39 二、製造過程 塑膠基纖維複合材其製造方式有手工布置、纏絲法、拉型法、袋成型法、預浸材積層法等，如圖 12-18 所示。
金屬基纖維複合材料的製造方式有薄板堆積、電漿噴塗、氣相蒸鍍、液相浸透等。 陶瓷基複合材料的製造方式有熔湯浸透、浸漬熱壓、化學氣相蒸鍍法（CVD）、化學氣相浸透法（CVI）、聚合物熱解法等。 上一頁 節目錄

40 《圖 塑膠纖維複合材製造過程》 上一頁 節目錄

41 粒子複合材製造方式有粉末冶金及熔湯鑄 造兩類，如圖 所示。 《圖 粒子複合材製造方式》 上一頁 節目錄

42 板狀複合材料製造方式有軋延、爆炸鍵結、 共擠型、硬銲及熱壓等，如圖 所示。 《圖 板狀複合材製造方式》 上一頁 節目錄

43 《圖 板狀複合材製造方式（續）》 上一頁 節目錄

44 電子材料 電子材料是電氣控制、通訊、電腦及航太工業的基礎，具有體積小、成本低、壽命長等特性，廣用於目前日常生活電器用品及各生產領域需電子控制的元件。 一、種類及成分 目前以半導體材料被研究最多也是技術最成熟，可分本質半導體、異質半導體、化合物半導體及非晶質半導體，如表 12-5。 節目錄

45 《表12-5 半導體分類及其性質用途說明》 分類 種類 性質 用途
《表 半導體分類及其性質用途說明》 分類 種類 性質 用途 本質半導體 矽、鍺 純度高、對溫度、光、磁場敏感。 積體電路、太陽能電池、記憶體等。 異質半導體 N 型（氮磷砷銻等） P 型（硼鋁鎵銦等） 隨意改變電阻、製造容易、價廉。 二極體、電晶體、感測元件、積體電路、太陽能電池、記憶體等。 上一頁 節目錄

46 《表12-5 半導體分類及其性質用途說明（續）》
《表 半導體分類及其性質用途說明（續）》 分類 種類 性質 用途 化合物半導體 砷化鎵（GaAs） 氮化鎵（GaN） 磷化銦（InP） 磷化鎵（GaP） 直接能隙發光效率高、高電子遷移率適高速元件、異質接面元件、有助於量子井、超晶格材料發展。 電晶體超高速數位 IC、發光及電射二極體、紅外線檢測用光電二極體、光導（光敏）器件、非線性電阻等。 非晶質半導體 非晶矽 製作面積大成本低、易形成多層膜、可見光吸收係數大、光傳導率高。 太陽能電池、薄膜電晶體、光感測器、發光二極體等。 上一頁 節目錄

47 元素半導體：元素或純化合物半導體，其導電性取決於材料本身特性，常用材料有矽（Si）或鍺（Ge）。
異質半導體：在本質半導體中添加極微量的雜質原子（氮、磷、砷、銻、硼、鋁、鎵、銦等），形成一雜質能階（新自由電子或電洞），根據添加雜質價電子形成 N 型（五價）及 P 型（四價）半導體。 上一頁 節目錄

48 二、製造過程 化合物半導體：由 2 種以上元素構成，例如砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、磷化銦（InP）、磷化鎵（GaP）。
非晶質半導體：其原子排列不具週期性，例如非晶矽。 二、製造過程 半導體材料製程一般都以鑄造拉晶及精煉後完成。 上一頁 節目錄

49 磁性材料 所有的材料都具有或多或少的磁性（與電子運動有關），但不見得是機械上所需要的，所以需先了解材料的磁性才能決定使用與否。 一、種類及成分 材料依其磁性方向排列分為反磁性體、順磁性體、鐵磁性體三種，如表 12-6 所示。 節目錄

50 《表12-6 材料依磁性方向分類及其成分》 種類 成分 磁性方向（磁場作用下） 反磁性體 順磁性體
《表 材料依磁性方向分類及其成分》 種類 成分 磁性方向（磁場作用下） 反磁性體 銀、銅、金、錫、鋅等。 原子內部產生出 1 個方向與外加磁場相反的感應小磁偶極。 磁性方向與磁場方向相反，磁性相互抵銷無磁化效果。 外加磁場消失其磁性方向就消失。 順磁性體 鋁、鉑、錳、鈦等。 顯現出微弱的正磁化率現象，因受外加磁場作用的原子或分子，個別磁偶極矩出現規則的排列產生。 磁性無一定方向，需很大磁場才使磁性方向排成同一方向。 上一頁 節目錄

51 《表12-6 材料依磁性方向分類及其成分（續）》
《表 材料依磁性方向分類及其成分（續）》 種類 成分 磁性方向（磁場作用下） 鐵磁性體 鐵、鈷、鎳、釓等。 獲得極大的磁化強度，其原子產生與外加磁場方向相同的磁偶極。 磁性方向與磁場方向相同，磁性相互加強獲得磁化效果。 外加磁場消失其磁性方向會保持很久一段時間。 上一頁 節目錄

52 磁性材料亦可分為永久磁性材料及暫時磁性材料，如表 12-7 所示。
《表 依材料磁性分類及其成分、特性》 種類 形成因素 成分 特性 永久磁性材料（硬磁材料） 磁性材料磁化後能長時間保有其強磁性者。 稀土族及鐵族之金屬間化合物：例如銣鐵硼磁鐵、釤鈷磁鐵、鋁鎳鈷磁鐵、鐵鉻鈷磁鐵、鋇系（BaO6Fe2O3）、鍶系（SrO6Fe2O3）。 有較高矯頑磁力。 有較高殘留磁通。 有較高穩定性。 有較大磁儲存能量。 上一頁 節目錄

53 《表12-7 依材料磁性分類及其成分、特性（續）》
《表 依材料磁性分類及其成分、特性（續）》 種類 形成因素 成分 特性 暫時磁性材料（軟磁材料） 磁性材料磁化後較容易退磁（磁性不易保留）者。 磁鐵塊、矽鋼（鐵矽合金）、鎳鐵合金、鎳銅鉻鐵合金、鎳鉬鐵錳合金、48%MnO- Fe2O3， 52%ZnO- Fe2O3， 36%NiO- Fe2O3， 64%ZnO- Fe2O3。 有較低矯頑磁力。 有較低磁損耗和電損耗。 有較高飽和磁化強度。 有較高導磁率。 使用穩定性高。 上一頁 節目錄

54 《表12-8 依材料性質種類及其成分、特性、用途》
磁性材料依材料種類分金屬磁體及陶瓷磁體，如表 12-8 所示。 《表 依材料性質種類及其成分、特性、用途》 分類 成分 特性 用途 金屬磁體 純鐵、鈷、鎳 強磁性、 飽和磁化程度高。 磁鐵。 鐵矽鋁合金 硬脆抗磨耗、 導磁係數高。 低頻變壓器、馬達發電機磁心。 鐵鎳合金 儀器繼電器、儀器變壓器、轉子。 上一頁 節目錄

55 《表12-8 依材料性質種類及其成分、特性、用途（續）》
《表 依材料性質種類及其成分、特性、用途（續）》 分類 成分 特性 用途 陶瓷磁體 六方鐵氧磁體 自發性磁化、電阻高、渦流損失減少、添加過渡金屬可改變殘留磁通。 錄音帶錄影帶電腦磁片磁粉鍍層、馬達、發電機、電感、變壓器、Ni-Zn 磁頭、Mn-Zn 磁記憶元件等。 石榴石鐵氧磁體 尖晶石結構磁體（M Fe2O4），M 代表 Ni、Mn、Zn、Mg、Co 等 上一頁 節目錄

56 二、應用場合 磁性材料可歸類在電子材料中，因其應用於電子產業相當廣泛且實用，例如：電力設備零組件、視聽電子中的音響喇叭發聲、電視機顯像管應用、錄音機錄影機錄放影音應用、醫學核磁共振攝影、磁浮列車懸浮技術。 上一頁 節目錄

57 光電材料 材料在可見光範圍內會呈現其光學性質，例如透明、反射，或於某環境下能以感應而非傳導方式傳遞電磁場資訊，例如電介質，以上特性就是本節所要討論的光電材料。光電材料包括介電材料、陶瓷介電材料、透明材料、發光材料、液晶材料、光纖材料等。 節目錄

58 2. 陶瓷介電材料：以離子鍵或共價鍵為主要結合力的無機非金屬材料，其原子或離子的正負電荷被相互強烈束縛著，呈現出電介質特性。
1. 介電材料：不帶有電子的物質稱為電介質（或介電質），例如外加一電壓會引起靜電感應現象的介質極化，愈易引起極化的材料，其介電常數愈大，愈適合做成電容器的介質材料。 2. 陶瓷介電材料：以離子鍵或共價鍵為主要結合力的無機非金屬材料，其原子或離子的正負電荷被相互強烈束縛著，呈現出電介質特性。 上一頁 節目錄

59 透明材料：介電材料如不吸收電磁輻射，而是讓其穿透，則成為透明材料，金屬因自由電子會吸收所以不透明。
發光材料：非金屬並非完全不透明，有部分材料會吸收能量而激發原子周圍電子到不穩定的高能階，當此電子跌回較低能階時會放出電磁波或可見光，成為發光材料。 上一頁 節目錄

60 液晶材料：液晶是一種有機極性聚合物，其具有混濁流動性液體，同時又具有類似單軸晶體的異方性。
光纖材料：光導纖維材料的簡稱，由石英玻璃或壓克力等材質抽絲而成。 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途，如表 12-9 所示。 上一頁 節目錄

61 《表12-9 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途》
《表 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途》 分類 類型 成分 特性 用途 介電材料 氣體介電材料 空氣、氫氣、六氟化硫等。 高電阻、容易極化、壓電性。 電容器、　　電的絕緣體。 液體介電材料 變壓器油、石油、純水等。 固體介電材料 雲母、陶瓷、橡膠、聚苯乙烯、紙等。 上一頁 節目錄

62 《表12-9 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》
《表 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》 分類 類型 成分 特性 用途 陶瓷介電材料 以離子鍵及共價鍵為主要結合力的無機非金屬材料 雲母、熔融二氧化矽、橡膠、鈣鈉玻璃、氧化鋁、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、尼龍等。 介電常數值高且變化範圍大。 介質損耗低、消耗能量少。 陶瓷電介質及高穩定導電。 高強度、耐高工作溫度、可靠性高。 高電阻率有效絕緣，可承受高電壓。 陶瓷電容器。 上一頁 節目錄

63 《表12-9 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》
《表 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》 分類 類型 成分 特性 用途 透明材料 玻璃 材料 陶瓷玻璃、　　　多晶材料等。 介質吸收性低、高透射能力。 建築物或汽車玻璃、透鏡。 塑膠 材料 聚苯乙烯 PS、聚碳酸脂 PC、壓克力 PMMA 等。 介質吸收性低、良好透光性、價廉。 光碟片、塑膠鏡片。 發光材料 熱輻射材料 紅寶石雷射、釹雅克雷射（釹釔鋁） 、半導體雷射、二氧化碳雷射。 電子因熱激發到較高能階後，一些電子又回落中心位置而發出光子。 銲接、鑽孔、切割、表面處理、光微影術。 上一頁 節目錄

64 《表12-9 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》
《表 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》 分類 類型 成分 特性 用途 發光材料 自發光材料（冷光） 磷光體。 由光或其他電子，將電子由價帶激發至傳導帶後掉回基態，放出輻射線或可見光。 發光二極體。 激發光材料　　　　　（磷光體） 磷酸鹽磷光體。 吸收高能量短波長輻射，激發電子進入高能階後掉入低能階，自發地射出低能量長波長輻射光。 螢光燈、陰極射線示波器、電子顯微鏡、彩色映像管。 上一頁 節目錄

65 《表12-9 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》
《表 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》 分類 類型 成分 特性 用途 液晶材料 向列型 層列型 膽固醇型 2 ～ 4 個苯環或環己烷構成長軸主鏈，並連接烷基（CH3、C2H5）、鹵素（F、Cl、Br）、氰基（CN）等末端基，因長軸方向與垂直方向的相對介電常數、導電率及折射率不同而有異方性。 流動性佳、液晶分子藉電場易轉向、光學效果佳、彈性黏性佳。 TN-LCD、手持式電子裝置及電視電腦螢幕、數位相機、電子看板、GPS、 STN - LCD、TFT-LCD。 上一頁 節目錄

66 《表12-9 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》
《表 光電材料分類、類型及其成分、特性、用途（續）》 分類 類型 成分 特性 用途 光纖材料 石英玻璃塑膠光纖 二氧化矽（SiO2）、氧化鍺（GeO2）、氧化磷（P2O5）、PMMA 及氟化物等。 質輕富可撓性、傳輸頻帶寬、通訊量大、損耗低、不受電磁波干擾、成本低。 資訊傳輸電纜、攝影鏡頭光纖管。 上一頁 節目錄

67 其他材料 一、研磨材料 研磨材料需具有高硬度（比被加工材料高）、耐磨耗（不易變形及鈍化）、化學穩定性（不與工件產生化學反應）、自銳性（破裂面可形成新鋒利銳角）等。一般研磨材料可分天然與人造兩種，其種類、特性及用途如表 12-10、表 所示。 節目錄

68 高硬度、耐熱、耐磨之磨料，適於超硬合金、寶石、碳化鎢製品之切削，磨輪之修整等。
《表 天然磨料之種類、特性及用途》 種類 硬度 （knoop） 組成物 特性及用途 鑽石 8000 碳之結晶體 高硬度、耐熱、耐磨之磨料，適於超硬合金、寶石、碳化鎢製品之切削，磨輪之修整等。 剛玉 2050 天然氧化鋁礦物 質硬、適於金屬、非金屬之拋光。 金剛砂 1400 天然氧化鋁、 氧化鐵礦物 適於金屬、非金屬之研磨及拋光。 榴石 1380 鈣、鐵、矽酸鎂組成物 適於金屬、木材、皮革之研磨。 上一頁 節目錄

69 《表12-10 天然磨料之種類、特性及用途（續）》
《表 天然磨料之種類、特性及用途（續）》 種類 硬度 （knoop） 組成物 特性及用途 石英 800 二氧化矽結晶 適於金屬、非金屬之拋光。 矽藻石 含鐵之矽質材料 適於金屬之拋光。 砥石 堅硬、緻密、 硬度一致之岩石 適於刀具、建築用具及其他用具之研磨。 上一頁 節目錄

70 質脆，用以磨削抗拉強度低之材料如鑄鐵、非鐵金屬等。
《表 人造磨料之種類、特性及用途》 種類 硬度 （knoop） 代號 顏色 化學成分 （%） 特性及用途 碳化矽 2480 ～ 2550 C 黑色 SiC ＞ 98.5 C ＜ 0.2 Fe ＜ 0.6 SiO2 ＜ 0.5 質脆，用以磨削抗拉強度低之材料如鑄鐵、非鐵金屬等。 GC 綠色 SiC ＞ 99 Fe ＜ 0.35 SiO2 ＜ 0.3 質硬脆，可磨削超硬合金、特殊鑄鐵、非鐵金屬等。 氧化鋁 1950 ～ 2150 A 棕色 Al2O3 ＞ 95 Fe2O3 ＜ 0.6 SiO2 ＜ 2 質硬韌，可磨削抗拉強度高之材料如硬鋼。 上一頁 節目錄

71 《表12-11 人造磨料之種類、特性及用途（續）》
《表 人造磨料之種類、特性及用途（續）》 種類 硬度 （knoop） 代號 顏色 化學成分 （%） 特性及用途 氧化鋁 1950 ～ 2150 WA 白色 Al2O3 ＞ 98 Fe2O3 ＜ 0.1 SiO2 ＜ 1.2 質略韌，可磨削特別強韌的材料如高速鋼、合金鋼、不鏽鋼等。 PA 玫瑰色 Al2O3 ＞ 97.5 Fe2O3 ＜ 0.01 SiO2 ＜ 1 Cr2O3 ＜ 1.15 質韌，可用於工具磨削及表面磨削。 AE 褐色 Al2O3 ＞ 77 Fe2O3 ＜ 10 SiO2 ＜ 13 質硬，用於一般金屬拋光。 上一頁 節目錄

72 《表12-11 人造磨料之種類、特性及用途（續） 》
《表 人造磨料之種類、特性及用途（續） 》 種類 硬度 （knoop） 代號 顏色 化學成分 （%） 特性及用途 碳化硼 2800 銀黑色 B4C 質硬、耐磨耗，適用於鎢碳工具鋼之研磨。 氮化硼 5000 BN 硬度高、耐熱耐磨，用於超硬工具鋼之研削。 人造鑽石 ～ 8000 C 最硬之磨料，用於超硬合金碳化鎢刀具之切削，磨輪之修整。 人造磨料有碳化矽、氧化鋁、碳化硼等，大多為碳化物或金屬氧化物，其中以碳化矽及氧化鋁應用最廣。 上一頁 節目錄

73 天然磨料有鑽石（天然磨料硬度最高者）、剛玉、金剛砂等，來源多為礦石加工後使用，礦石的硬度可參考表 12-12 所示。
《表 各種礦石莫氏硬度比較》 礦石種類 莫氏硬度 金鋼石 10 磷灰石 5 剛玉 9 螢石 4 黃玉 8 方解石 3 石英 7 石膏 2 正長石 6 滑石 1 上一頁 節目錄

74 研磨材料利用黏結劑將研磨顆粒黏合而成磨輪，常使用於機械切削加工上。其製造流程為：研磨材料粉碎→篩選→填充料＋黏結劑→混合黏結→加壓成形→乾燥→胚料修整→燒製→檢驗→成品（其中黏結劑包括黏土、水玻璃及蟲膠、橡膠、樹脂等，前者屬無機物，後者屬有機物）。 上一頁 節目錄

75 選用磨輪研磨物件需注意磨輪之硬度及組織。 結合度愈小，則磨輪之磨耗愈快；一般使用上研磨軟質材料採用硬磨輪，研磨硬質材料採用軟磨輪。
一般研磨軟而富延性的材料採用粗組織磨輪，研磨硬且脆性材料、研磨量少或精光表面採用密組織磨輪。 上一頁 節目錄

76 磨輪之標記一般分六部分如下說明： 例如：A － 46 － M － 7 － V － 40 A －表示氧化鋁磨料 46 －表示中粒度
製造商記號 製造方法 組織 結合度 粒度 磨料種類 上一頁 節目錄

77 二、潤滑劑及切削劑 金屬材料切削加工時，因材料與刀具間摩擦產生高熱而磨耗，使刀具損壞或材料組織發生變化，因此需使用潤滑劑或切削劑來防止，亦可帶走切屑使表面清潔。使用潤滑劑的目的及條件有： 需減少刀具磨耗作用，避免摩擦面產生腐蝕。 移除摩擦面產生的熱量，防止過熱。 上一頁 節目錄

78 3. 隔離摩擦面間有害氣體及雜質侵入。 4. 不變質、黏度及溫度變化穩定性高。 不易揮發及不易壓縮。
3. 隔離摩擦面間有害氣體及雜質侵入。 4. 不變質、黏度及溫度變化穩定性高。 不易揮發及不易壓縮。 潤滑劑種類有液體、固體兩類，前者有各種潤滑油（礦物性、脂肪性、混合）、滑脂等，後者指石墨、滑石、MoS2等，其詳細種類及其用途如表 所示。 上一頁 節目錄

79 《表12-15 潤滑油種類及其用途》 種類 名稱 用途 心軸油 冷凍 機油 電機油 輪機油 機器油 船用輪機油
《表 潤滑油種類及其用途》 種類 名稱 用途 心軸油 白 心軸油 60 心軸油 150 心軸油 精密紡織機之心軸、小型電動機械及其他荷重較輕機械之潤滑。 冷凍　機油 150 冷凍機油 300 冷凍機油 冷凍機械、製冰機器及空氣調節器之壓縮機之潤滑。 電機油 80 電機油 100 電機油 中、大型電動機械、發電機及其他高速軸承之潤滑。 輪機油 80 輪機油 140 輪機油 180 輪機油 各種蒸汽及水力渦輪與其發電機及高速軸承之潤滑。 機器油 120 機器油 160 機器油 一般機械之外部潤滑、電動車、客貨車車軸之潤滑及石油發動機之內部潤滑。 船用輪機油 船用蒸氣機之軸承等之潤滑。 上一頁 節目錄

80 《表12-15 潤滑油種類及其用途（續） 》 種類 名稱 用途 機油 柴油機油 汽缸油 車軸油 潤滑油
《表 潤滑油種類及其用途（續） 》 種類 名稱 用途 機油 20 號機油 30 號機油 40 號機油 50 號機油 汽車發動機及中小型柴油發動機、中小型壓縮機等內部潤滑及齒輪箱之潤滑。 柴油機油 250 號機油 350 號機油 450 號機油 柴油發動機、瓦斯發動機、壓縮機、真空幫浦及齒輪箱之潤滑。 汽缸油 99 汽缸油 12 汽缸油 蒸汽發動機之汽缸及閥門潤滑，重負荷軸承之潤滑。 車軸油 煤礦車等之車軸潤滑。 潤滑油 杯脂 纖維滑脂 其他 一般機械之滑脂杯用及滾珠、滾子軸承等之潤滑。 上一頁 節目錄

81 使用切削劑的目的： 1. 冷卻刀具切削產生之熱量，延長刀具壽命。 2. 具潤滑作用，減少切削阻力。 3. 防止工件熱變形，改善工件表面光度。
1. 冷卻刀具切削產生之熱量，延長刀具壽命。 2. 具潤滑作用，減少切削阻力。 3. 防止工件熱變形，改善工件表面光度。 上一頁 節目錄

82 切削劑的種類可分水溶性及非水溶性，前者指乳化油（礦油中加入肥皂、酒精等水溶性乳化劑）、水溶液（動植物油中加入濃硫酸混水稀釋）；後者指動植物油（菜油、豬油）、礦物油（機油、煤油、柴油）、硫化油（硫與植物油混合）。常用材料機械加工時切削劑之選擇及應用如表 所示。 上一頁 節目錄

83 《表12-16 常用材料機械加工時切削劑之選擇及應用》
《表 常用材料機械加工時切削劑之選擇及應用》 材料 鑽孔 鉸孔 車削 銑削 攻內（外）螺紋 鋁 煤油與豬油 煤油 調水油 礦物油 豬油 礦物油、乾 黃銅 乾 青銅 鑄鐵 礦物豬油 硫化油 鑄鋼 上一頁 節目錄

84 《表12-16 常用材料機械加工時切削劑之選擇及應用（續） 》
《表 常用材料機械加工時切削劑之選擇及應用（續） 》 材料 鑽孔 鉸孔 車削 銑削 攻內（外）螺紋 鋼 乾 調水油 礦物豬油 煤油 豬油 展性鑄鐵 蘇打水 軟鋼 硫化油 工具鋼 上一頁 節目錄

85 三、橡膠 分為天然橡膠和人造橡膠兩類，成分、特性及應用由表 12-17 得知。但無論是天然橡膠或人造橡膠常加入適量的碳煙粉作為強化填充劑。
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86 《表12-17 橡膠分類及其成分、特性、應用》 分類 成分 類型 特性 應用 天然橡膠 人造橡膠
《表 橡膠分類及其成分、特性、應用》 分類 成分 類型 特性 應用 天然橡膠 橡樹乳液經硫化處理 軟橡膠 （含硫＜15%） 質軟富彈性 汽車內外胎、 雨衣鞋、橡膠管、 襯墊、橡皮擦等。 硬橡膠 （含硫＞30%） 質硬、延性較低、耐酸鹼侵蝕、電絕緣材、加工性優良 耐化學性膠管、 電絕緣零件、梳子等。 人造橡膠 丁二烯、壓克力、乙烯等 有機高分子聚合物 耐熱、耐油、耐老化 汽車輪胎、耐油軟管、輸送油管、襯墊、特殊軍用品等。 上一頁 節目錄

87 四、耐火材料及保溫材料 1. 耐火材料 主要用來耐高溫，通常用於加熱爐、鍋爐、煙通道、坩堝、煉焦爐、煉鋼爐及窯業等。耐火材料須符合耐高溫及其物理及化學特性能承受溫度變化與侵蝕才考慮使用，表 為耐火材料分類、成分及其應用。 上一頁 節目錄

88 《表12-18 耐火材料分類、成分及其應用》 種類 成分 應用
《表 耐火材料分類、成分及其應用》 種類 成分 應用 酸性耐火材 耐火黏土 化鐵爐、煉焦爐 矽石質耐火磚 煉鋼酸性耐火磚 鹼性耐火材 MgO、CaO 組成 鹼性煉鋼爐爐床 中性耐火材 Al2O3、Cr2O3、石墨組成 礬土磚 水礬土 + 耐火黏土 + 水玻璃 + 石灰 水泥廠轉窯、平爐噴口 鉻磚 鉻鐵礦 + 黏土 酸性、鹼性磚交接處 碳質耐火材 石墨 + 碳磚 + 石墨坩堝碎粉 + 黏土 + 燒磨土 高爐爐床、石墨坩堝等 上一頁 節目錄

89 主要用來絕熱，廣用機械、化工、冷凍、 建築、冶金等工業。分類成分及應用如表 12-19。
2. 保溫材料 主要用來絕熱，廣用機械、化工、冷凍、 建築、冶金等工業。分類成分及應用如表 。 上一頁 節目錄

90 《表12-19 保溫材料分類、成分及其應用》 種類 成分 應用
《表 保溫材料分類、成分及其應用》 種類 成分 應用 有機保溫材 動植物纖維（木材、羊毛、棉花、軟木等）+ 泡棉塑膠 絕熱機具等 無機保溫材 金屬，將輻射熱反射 鋁箔等 石棉（CaO‧3MgO‧4SiO‧xH2O）纖維性礦物 布、板狀等 岩棉（石灰石及頁岩與焦炭於化鐵爐中燒熔） 纖維或片狀等 爐渣棉（煉鐵時所產生之爐渣） 纖維狀等 玻璃絨（SiO2 熔融） 中溫保溫材料 碳酸鎂保溫材（碳酸鎂粉末 + 石棉） 中高溫保溫材料 矽藻土保溫材（矽藻土 + 石棉） 爐窯高溫保溫材料 上一頁 節目錄

91 五、塗料 塗料主要是用來防蝕、耐潮溼、防火、美觀或其他用途，金屬材料上最主要用來防蝕，其次為美觀。塗料也可做電絕緣、防汙、發光、耐熱等特殊用途，近來因金屬表面處理技術進步（如電鍍、陽極處理、發色……等），塗料的使用也愈來愈廣，表 為塗料分類及其應用一覽表。 …… 上一頁 節目錄

92 《表12-20 塗料分類及其應用》 分類 種類 名稱 應用
《表 塗料分類及其應用》 分類 種類 名稱 應用 依組成成分 油漆 水性漆 牆壁粉刷 油性漆 金屬材料、木材塗裝 瓷漆 家具、室內裝潢 假漆 樹脂油假漆 透明塗料 酒精假漆 依用途分 防鏽塗料 鉛丹塗料 防鏽底漆塗料 氧化鐵塗料 鉛丹塗料替代品 鋁粉塗料 防熱、防水、防鏽塗料 耐酸塗料 瀝青塗料 防水、防鏽塗層 氯化橡膠塗料 耐酸鹼塗料 合成樹脂塗料 耐酸、堅固塗料 上一頁 節目錄

93 《表12-20 塗料分類及其應用（續） 》 分類 種類 名稱 應用
《表 塗料分類及其應用（續） 》 分類 種類 名稱 應用 依用途分 耐熱塗料 煙囪、鍋爐、加熱管等易發熱地方 發光塗料 燐光塗料 夜間發光 夜光塗料 機械、儀表等 螢光塗料 廣告招牌、交通號誌等 烤漆 耐油、耐水、耐衝擊 汽機車及各電器用品表面塗料等 防火塗料 添加氯化銨、磷化銨、硼砂 木材或金屬材表面 著色漆 添加酒精或有機液體 家具、金屬材料表面 註：油漆有時因施工方便而添加揮發性溶劑以降低其黏度－　　　稀釋劑（Thinner）。 上一頁 節目錄

94 六、新材料 1. 形狀記憶合金（SMA） 簡稱形憶合金，是指會記憶原來形狀，當變形後若遇熱超過一特定溫度即會恢復原形之合金。SMA 記憶形狀的原理在於可逆的麻田散變態，在一些銅合金、鈦合金、及鎳合金等都有此特性。 上一頁 節目錄

95 形狀記憶合金在機械工程上多用於製作「接頭」較多，可達氣密、水密效果，如圖 所示。SMA 合金又具有超彈性，在溫度感測器、機械手臂致動器、人造衛星天線、醫學（齒列矯正線、脊椎矯正棒）等皆有其應用場合。 上一頁 節目錄

96 《圖 利用銅基形狀記憶合金做各種接合》 上一頁 節目錄

97 超導體材料：一般金屬的電阻會隨溫度降低而穩定減少，直到接近 0K 時會有些許殘留值，超導體材料，是指在材料於臨界溫度以下時材料電阻會趨近於 0，在此溫度以上稱正常，在此溫度以下稱超導，如表 所示。 上一頁 節目錄

98 《表12-21 代表性金屬、介金屬化合物及陶瓷材料之超導臨界溫度》
《表 代表性金屬、介金屬化合物及陶瓷材料之超導臨界溫度》 金屬 臨界溫度 （K） 介金屬 化合物 陶瓷材料 鈮 Nb 9.15 Nb3Ge 23.2 Tl2Ba2Ca2Cu3Ox 122 釩 V 5.30 Nb3Sn 21 YBa2Cu3O7-x 90 鉭 Ta 4.48 Nb3Al 17.5 Ba1-xKxBiO3-y 30 鈦 Ta 0.39 NbTi 9.5 錫 Sn 3.72 上一頁 節目錄

99 超導材料的導電性使用在某一溫度時較一般導體更佳，應用於部分機械上，例如超導磁體（研究核聚變化）、超導發電機、超導電磁動力船、核磁共振斷層掃描儀（檢測人體病變）、超導傳輸（超導線圈、磁鐵）等。
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100 奈米材料：奈米為長度單位以 nm 表示，1nm ＝ 10 － 9m。奈米材料的定義是指材料於 100nm 以下具有與一般物質不一樣的性質的材料，例如磁性（磁的絕緣體）、電性（導電性降低）、光學性（光及微波吸收）、化學性（催化活性增大）、機械性（強度提高、耐磨、耐壓、緻密、防水、抗老化）等。 上一頁 節目錄

101 奈米材料因應奈米技術的提升，已多應用於光學儲存系統（奈米塗層增加記憶容量）、奈米碳纖複合材料、奈米高功能合金、奈米纖維、奈米防水材料、奈米耐刷自潔塗料、奈米化妝品等，如圖 12-23 所示。
圖片來源： (a) market/nano/nano018.htm (b) detail/ /%E5%A5%88%E7%B1% B3%E6%B0%B4%E6%80%A7%E7%92% B0%E4%BF%9D%E5%A1%97%E6%96% 99-%E7%9F%BD%E5%AF%B6%E5%A1% 97%E6%96%99NP%E7%B3%BB%E5%88% 97.html#normal_img 《圖 奈米製品》 上一頁 節目錄