1-1 歷史觀點 1-2 材料科學與工程 1-3 為何要研讀材料科學與工程 1-4 材料的分類 1-5 先進材料 1-6 現代材料的需求 第 1 章 緒論 1-1 歷史觀點 1-2 材料科學與工程 1-3 為何要研讀材料科學與工程 1-4 材料的分類 1-5 先進材料 1-6 現代材料的需求 P.1

學習目標 列舉出六種決定材料應用性的不同性質分類。 舉出涉及材料設計、生產和使用的四個構成要件，並略述這些構成要件間的相互關係。 舉出材料選用過程的三個重要標準。 (a) 列舉出固態材料的三種主要分類，並指出其個別之化學特點。 (b) 註解先進材料的兩種類型及其個別之特點。 (a) 簡要定義「智慧材料／系統」。(b) 簡短解釋「奈米技術」應用於材料的觀念。 P.2

1.1 歷史觀點 我們是以材料的發展程度來命名早期的文化（如石器時代、銅器時代、鐵器時代）。 材料的利用完全是一個選擇的過程，也就是要從已知的、相當有限的材料種類中，依據材料本身之特性來決定哪一種材料最適合某項應用。 由過去大約 100 年以來累積所獲得的知識，使得以大幅度地塑造材料的特性。於是，發展出成千上萬種具有不同特性的材料，可以滿足我們現代化複雜的社會，這些材料包含了金屬、塑膠、玻璃和纖維。 P.2

1.2 材料科學與工程 有時將材料科學與工程學科細分為材料科學和材料工程兩個次學科是有些功用的。 材料科學（materials science）這門學科主要在研究材料結構與性質間的關係。 材料工程（materials engineering）是以材料結構與性質間的交互關係為基礎，來設計或操縱材料的結構以製成所需的材料性質 。 從職掌的觀點來看，材料科學家的角色是開發或合成新材料，而材料工程師則是被要求利用現存的材料去創造新的產品或系統，抑或發展新的材料製程技術。 P.3

1.3 為何要研讀材料科學與工程 材料問題是指從成千上萬可用材料中選擇出正確適當的材料，而有幾項準則通常是被作為最終決定的考量基礎： 1. 必須描述出應用狀態的條件，因這將指定欲選用的材料所需具備之性質。 2. 材料在應用操作過程是否會產生劣化。 3. 成品的成本究竟是多少？ P.5

1.4 材料的分類 金屬 Metals 這個類組的材料是由一種或多種金屬元素組合而成（諸如鐵、鋁、銅、鈦、金及鎳），而且經常也會含有相對少量的非金屬元素 （例如，碳、氮和氧）。 金屬及其合金內的原子是以非常有次序的方式排列著，而且與陶瓷及高分子比較起來，相對上是比較緊密的（圖 1.3）。 P.5

金屬是絕佳的導電體（圖 1.7）及導熱體，且可見光無法穿透過它；一個拋光的金屬表面會呈現出光澤感。 機械性的特徵方面，金屬材料相對地堅硬（圖 1.4）且強固（圖 1.5），然而又具延展性（即可以大量變形而不破裂）且能抗破碎（圖 1.6），這說明了它們在結構應用上的廣泛用途。 金屬是絕佳的導電體（圖 1.7）及導熱體，且可見光無法穿透過它；一個拋光的金屬表面會呈現出光澤感。 P.6

陶瓷 Ceramics 陶瓷是金屬與非金屬元素間的化合物，通常為氧化物、氮化物和碳化物。 陶瓷材料的勁度與強度足以與金屬相比（圖 1.4 及圖 1.5）。 陶瓷的典型特徵是硬度很高，但卻極端地易脆（缺乏延展性）非常容易破裂（圖 1.6）。 陶瓷材料是典型熱和電的絕緣體（亦即擁有低導電係數，圖 1.7）。 P.6

高分子 Polymers 高分子材料典型地具有低密度（圖 1.3）。 機械性特徵通常和金屬及陶瓷材料不同，它們不如前述那些材料般堅硬而強固（圖 1.4 和圖1.5）。 具有低導電係數（圖 1.7）且為非磁性。 P.8

複合材料 Composites 複合材料是由前述材料類別（即金屬、陶瓷和高分子）中之兩種（或更多)材料所組成。 玻璃纖維，是將微細的玻璃材質纖維埋入聚合物材料（一般是環氧基樹脂或多元酯） 基材之中。 玻璃材質纖維相當堅硬且強固（但也易碎），反之，高分子則易延展（但也軟弱且易撓曲），因此產生了相當堅硬、強固（圖 1.4 和圖 1.5）、易撓曲及易延展的玻璃纖維。此外，它具有低密度（圖 1.3）。 P.9

「碳纖維強化高分子」（或「CFRP」）複合材料是將碳纖維埋入高分子中。此材料比玻璃材質纖維強化材料更堅硬、更強固（圖 1.4 及圖 1.5）

圖1-3 圖1-3 各種金屬、陶瓷、高分子及複合材料室溫下密度值之長條圖。 P.6

圖1-4 圖1-4 各種金屬、陶瓷、高分子及複合材料室溫下勁度（亦即彈性模數）值之長條圖。 P.7

圖1-5 圖1-5 各種金屬、陶瓷、高分子及複合材料室溫下強度（亦即抗拉強度） 值之長條圖。 P.7

圖1-6 圖1-6 各種金屬、陶瓷、高分子及複合材料室溫下抵抗破裂能力（亦即破壞韌性）之長條圖。 P.8

圖1-7 圖1-7 金屬、陶瓷、高分子及半導體材料室溫下導電細述範圍之長條圖。 P.8

1.5 先進材料 半導體 Semiconductors 生化材料 Biomaterials 1.5 先進材料 半導體 Semiconductors 半導體具有介於導體（即金屬與合金）和絕緣體（即陶瓷與高分子）之間的電學性質（圖 1.7）。 生化材料 Biomaterials 生化材料使用於當人體因疾病或傷殘而需要植入替代品時。 生化材料不可產生毒性物質且須能和人體的組織相容（亦即必須不會造成不良的生化反應）。 P.10

奈米設計的材料 Nanoengineered Materials 智慧型材料 Smart Materials 智慧型材料是指一些現在正在被發展，對我們的許多科技將有顯著影響之最新、最先進的材料。 奈米設計的材料 Nanoengineered Materials 仔細地排列原子的能力可提供發展出由其他方法式所無法達到的機械性質、電性質、磁性質以及其它性質材料的機會。我們稱這樣的方法為「由下而上」的研究。而對這些材料性質所作的研究稱為「奈米技術」。 P.11

這些材料之性質所作的研究稱為「奈米技術」；字首「nano」表示這些結構本質是在奈米等級（10－9m）通常小於 100 奈米（大約等於 500 個原子直徑）。 P.13

1.6 現代材料的需求 儘管在過去幾年內材料科學與工程領域已有長足的進步，但仍存在許多工業技術上的挑戰。如，開發更精密及特殊的材料、考量產品材料對環境的衝擊。 P.13