材料與生活-- 材料科技之發展與範疇

材料於科技發展上之地位 Materials are need to make anything in technology Nanomaterials are need to make anything in nanotechnology 高分子 半導體 金屬 陶瓷 複合材料

材料科學工程要素 結構 (structure) 性質 (property) 製程 (processing) 功能 (performance)

材 料 的 發 展 沿 革 材料乃工業之母，各方面的工程科學，不論是電子、電機、機械、化工、 土木、航海造船、核工、航空等都以材料為基礎。 每當材料上有重大突破時 ，各項工程科學亦隨之快速地發展，故尖端科技及工業發展，均需高性能材 料配合。

材料科技的範疇 材料科技就是探討材料的製造、鑑定結構、基本性質及研究材料應用的學問，涵蓋下列四個大方向： (1)材料製造： 運用熔煉，鑄造（俗稱『翻砂』），鍛造（如古代之鐵），熱處理，粉末冶金等方法 把材料製成可用的狀態。 (2)材料鑑定： 鑑定材料的性質及其顯微鏡組織，以確保材料的品質。

(3)基本研究： 研究從原子排列到整塊材料的個種相關現象，以明瞭影響材料性質的根本原因。 (4)材料應用： 對既有材料加以擴展應用層面，配合機械、化工、電機等需求，針對新的應用，設計、製造新材料。

材料的分類 (1)金屬材料 --- 具有金屬的特性，如光澤、延展性、導電性。 (2)陶瓷材料 --- 傳統的陶瓷為磚、瓦、花瓶等，精密陶瓷則多用人工合成的材料製成，具有特定功能，如火星塞上的陶瓷體、絕緣礙子、鋇鐵氧磁鐵等。精密陶瓷通常是氧化物、氮化物、矽化物、碳化物、氟化物、硼化物等所製成。 (3)高分子材料 --- 由碳、氫、氧、為矽、鹵素為主所形成的材料。

具有特定的電性（如導電、半導電、絕緣）、磁性（永久或暫時）、光學性質（透明、不透明、發光）等的材料。 (4)光電磁材料 --- 具有特定的電性（如導電、半導電、絕緣）、磁性（永久或暫時）、光學性質（透明、不透明、發光）等的材料。 (5)複合材料 --- 由上述兩種以上所形成的材料，如金屬與陶瓷、高分子與陶瓷等之複合體。

材料分類 金屬材料 陶瓷材料 高分子材料 半導體材料 以材料結構與性質區分: 以材料應用區分: 生醫材料,電子材料,能源材料, 建築材料…….. 皆為複合材料

Metals (金屬)

Ceramics (陶瓷)

Polymer (高分子) 工程塑膠

電子材料

0.25 m, 6-level Metallization (UMC) IC Thin Film Lab. NTHU

複合材料 & 奈米複合材料 Easily fabricated, strong, flexible, corrosion, resistant, electrically insulating, but thermo-oxidatively sensitive. Inert, rigid, thermally stable, but heavy and brittle. 奈米複合材料 奈米尺度 高分子 陶瓷 金屬 Strong, and good electrical conductors, but heavy and prone to corrosion.

材料性質(property) 機械 (mechanical) 電 (electrical) 熱(thermal) 磁(magnetic) 光 (optical) 劣化（ deteriorative ）

材料的特性 (1)電性 材料因內部原子種類及結構的不同，可分為絕緣體、半導體、導體及超導體。 絕緣體如玻璃， 其電阻非常的高 導體如金銀具有很低的電阻 半導體的導電性介於導體與絕緣體之間， 如矽、鍺等 超導體材料通常在極低溫下時，會有零電阻的現象。

材料的特性 (2)磁性 磁性材料是一種「能感應出或發出磁性的材料」。 大部分的磁性材料都是由鐵、鈷、 鎳這三種元素所衍生出來的。 依磁性材料的磁性分類，可分為軟磁（暫時磁性）、硬磁 （永久磁性）以及半硬磁材料等三種。 依磁性材料的應用來，分類可分為高導磁材料、 永久磁鐵以及記錄材料等。

材料的特性 (3)光學性質 材料的光學性質各異，包括透明、半透明、不透明及具有顏色的各種材料 如：光學玻璃 、雷射晶體、光纖、非線性光學材料、發光材料、電光材料、磁光材料及紅外線材料。

材料的特性 (4)熱學性質 當一個固體吸收熱以後，它的溫度會升高，表示它的內部能量增加了。 熱是經由聲子與 自由電子來傳送的。像玻璃主要是藉由聲子來傳送熱。 在工業應用上，常常需要絕熱性的材料來阻隔熱量流失。高度多孔性材料是很好的絕緣體。鑽石是電的絕緣體，卻是熱的最佳導體。

(5)機械性質 不同材料有不同的拉伸現象，如延展性很好的金，可以把它拉的很細很長而不會斷； 但是像陶瓷、玻璃等材料，一拉就斷。碳纖維是一種很耐拉的材料，常和其他材料形 成複合材料，用在網球拍、釣竿、飛機機身、漁船船身上。 材料的機械性質除了拉伸現象外，尚有耐衝擊能力及硬度高低。 玻璃是一種難耐衝擊的材料，表面若有裂痕，稍微用力就會裂開，但是在經過處理後 可以變的很耐衝擊力，例如汽車的前玻璃就是一種「安全」玻璃。鑽石是硬度最高的 材料，人工鑽石便用來當作切割的工具。另外，當材料反覆施與不大的拉力與壓力， 經過數千萬次後仍然會斷裂，這就是疲勞現象，如飛機飛行時，機身各部位的震動易造成材料「疲勞」。

材料的特性 (6)感測性 材料的感測性是模擬人類五官功能的一些材料特性。在機器人及其他家電製品中被廣泛應用 例如冷氣及電子鍋內的濕度感應器，另有利用材料的化學性質來感測氧以及一些有毒氣體，像溫度計也是利用材料的物理特性來感測溫度變化。感測器材料除了少部分是由矽或化合物半導體構成以外，多是由陶瓷來製作。

材料的特性 (7)催化性 觸媒材料是一種能加速化學反應，但是本身並不參與反應的物質。 觸媒的催化作用能有效的將化學能轉換為電能，如燃燒電池。結合觸煤、電化學與光化學的研究 ，可發展出一種更有效率的光觸媒循環。為了改善空氣污染而使用在汽車上的觸媒轉化器，便是觸媒的一項應用。利用觸還可以生產一些新奇複雜的化學藥品、 塑膠、複合材料以及各種燃料等。

材料產業的發展 (1)電子材料產業 ．通訊工業 : 包括有線、無線通訊產品，交換機，傳輸網路，精密零組件及通訊技術服務等。 ．資訊工業 : 包括電腦系統、周邊設備、精密零組件及資訊軟體業 ．消費性電子工業 : 範圍涵蓋很廣，包括數位化音響產品、高級視訊產品、家用消費性產品及其重要之精密零組件。

．半導體工業 : 包括: 1.半導體製造工業，如晶圓、積體電路、電晶體、二極體、薄膜/厚膜混合積體電路、光電耦合元件、重要零組件及精密構裝等； 2.半導體服務業，如積體電路設計、測試等； 3. 半導體材料業，如矽、化合物半導體、光阻劑、顯影液、高純度氣體等。 總體而言，電子產品朝輕薄短小、高功能化趨勢發展，可攜式產品將成未來市場之主導者。

(2)金屬材料產業範疇 基本金屬 1.鋼鐵：煉鋼、軋鋼、鑄造、二次加工、熱處理、表面處理、廢鋼廢鐵回收等。 2.非鐵金屬：煉鋁、鋁鑄造、鋁機械加工、煉銅、銅鑄造、銅機械加工、其它非金屬等。 3. 金屬製品 手工具、模具、家具、建築結構、鋁製品、銅製品、表面處理、粉末冶金、其它非金屬製品等。 ．

(3)化學材料產業 　　化學材料之範疇極為廣泛，舉凡複合材料（纖維強化熱固性樹脂、纖維強化熱塑性樹脂）、工程塑膠（如Nylon-6、PBT、POM、PC、MPPO、PP）、電子資訊產業用化學材料（如液晶顯示器周邊材料、雷射印表機及傳真機元件材料、電子連接器材料、積體電路用化學材料）、包裝材料（如PVC膠帶、OPP膠帶、醫療膠帶）、結構陶瓷及玻璃、人造纖維及工業纖維、觸媒、染料、特用化學品等。

材料選用 特性 使用期間劣化情況 成本