材料工程與科學 目標... 學習內容: 本課程可幫助你: 介紹材料科學基本觀念 • 材料結構 • 結構如何決定性質 • 製程如何改變結構 • 材料結構 • 結構如何決定性質 • 製程如何改變結構 本課程可幫助你: • 適當選用材料 • 在新設計上應用材料進行

第一章 簡 介 材料科學是什麼 ? 有什麼重要內容 ? 材料促進社會進步 石器時代 銅器時代 （金屬） 鐵器時代 （金屬） 現在 ? 第一章 簡 介 材料科學是什麼 ? 有什麼重要內容 ? 材料促進社會進步 石器時代 銅器時代 （金屬） 鐵器時代 （金屬） 現在 ? 矽時代 （半導體）? 高分子 （塑膠）?

實例 –人工髖關節 (Hip)移植 隨著年齡增長關節逐漸老化以致毀損，尤其是受荷重較大的關節如髖關節 Adapted from Fig. 22.25, Callister 7e.

人工髖關節 (Hip)移植 要求 機械強度 （高循環數） 潤滑性 生物相容性 脊隨 骨盆 髖臼 股骨球頭 股骨 Adapted from Fig. 22.24, Callister 7e.

人工髖關節 (Hip)移植 骨盆 髖臼杯 球頭 固定劑 股骨柄 固定劑 股骨 Adapted from Fig. 22.26, Callister 7e.

實例： 發展新型高分子 商用塑膠 – 使用量大 例： 聚乙烯Polyethylene 聚丙烯Polypropylene 聚苯乙烯 Polystyrene（發泡聚苯乙烯即為俗稱之「保麗龍」） 工程樹脂 – 使用量小 例： 聚碳酸酯樹脂 Polycarbonate 尼龍 Nylon （或聚醯胺纖維 Polyamide ） 聚諷 Polysulfone  

性質、結構、製程 • 結構取決於性質 Hardness (BHN) • 製程 改變 結構 ex: 鋼鐵的結構與性質 • 結構取決於性質 ex: 鋼鐵的結構與性質 (d) 30 mm 6 00 5 00 (c) 4 mm Data obtained from Figs. 10.30(a) and 10.32 with 4 wt% C composition, and from Fig. 11.14 and associated discussion, Callister 7e. Micrographs adapted from (a) Fig. 10.19; (b) Fig. 9.30;(c) Fig. 10.33; and (d) Fig. 10.21, Callister 7e. 4 00 (b) 30 mm (a) 30 mm Hardness (BHN) 3 00 2 00 100 0.01 0.1 1 10 100 1000 Cooling Rate (ºC/s) • 製程 改變 結構 ex:鋼鐵的結構與冷卻速率

材料種類 金屬 金屬鍵自由電子 : 高分子/塑膠: 共價鍵  共用電子 金屬 金屬鍵自由電子 : 高強度、韌性 高熱傳、導電性 不透明、反射性佳. 高分子/塑膠: 共價鍵  共用電子 柔軟、延性佳、低強度、低密度 電、熱絕緣體 光透明性、半透明性 陶瓷: 離子鍵 – 金屬、非金屬元素的化合物（氧化物、碳化物、氮化物、硫化物） 脆、玻璃態、彈性低 非導電體 (電絕緣體) Metals have high thermal & electrical conductivity because valence electrons are free to roam

材料選擇程序 1. 2. 3. 應用 決定所需性質 性質 找出候選材料 材料 決定所需製程 性質: 機械、電、熱、磁、光、劣化 性質: 機械、電、熱、磁、光、劣化 2. 性質 找出候選材料 材料： 結構、成分 3. 材料 決定所需製程 製程：改變結構與整體形狀 ex: 鑄造、燒結、氣相蒸鍍、摻雜、接合（如焊接）、退火

電性 • 銅導電性: 電阻, r T (°C) • 加入雜質原子提高銅的電阻 • 變形提高銅的電阻. -200 -100 1 2 3 4 5 • 銅導電性: T (°C) -200 -100 Cu + 3.32 at%Ni Cu + 2.16 at%Ni deformed Cu + 1.12 at%Ni 1 2 3 4 5 6 電阻, r (10-8 Ohm-m) Cu + 1.12 at%Ni “Pure” Cu Adapted from Fig. 18.8, Callister 7e. (Fig. 18.8 adapted from: J.O. Linde, Ann Physik 5, 219 (1932); and C.A. Wert and R.M. Thomson, Physics of Solids, 2nd edition, McGraw-Hill Company, New York, 1970.) • 加入雜質原子提高銅的電阻 • 變形提高銅的電阻.

熱性質（1） • 太空梭隔熱磚： --矽纖維隔熱層提供低的熱傳導性 100 mm 奮進號太空梭隔熱瓷片： • 太空梭隔熱磚： --矽纖維隔熱層提供低的熱傳導性 奮進號太空梭隔熱瓷片： 高純度氧化鋁纖維(99.8 %) silica fibers (10 %) and 空間(90 %) Credit: NASA 100 mm 可重複使用高溫表面隔熱磚 High-temperature reusable surface insulation (HRSI) Credit: Wikipedia Adapted from Fig. 19.4W, Callister 6e. (Courtesy of Lockheed Aerospace Ceramics Systems, Sunnyvale, CA) (Note: "W" denotes fig. is on CD-ROM.)

熱性質（2） • 銅的熱傳導性: --加入鋅降低銅的導電度! Composition (wt% Zinc) • 銅的熱傳導性: --加入鋅降低銅的導電度! Composition (wt% Zinc) Thermal Conductivity (W/m-K) 400 300 200 100 10 20 30 40 Adapted from Fig. 19.4, Callister 7e. (Fig. 19.4 is adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker, (Managing Editor), American Society for Metals, 1979, p. 315.)

磁性 • 磁導率 vs. 成分: • 磁性儲存 : 佳的記錄介質! --磁頭磁化記錄介質 --加入 3 at. % Si使Fe變成更 儲存介質 Fe+3%Si 磁 化 Fe 磁頭 Magnetization 磁場 Magnetic Field Fig. 20.23, Callister 7e. (Fig. 20.23 is from J.U. Lemke, MRS Bulletin, Vol. XV, No. 3, p. 31, 1990.) Adapted from C.R. Barrett, W.D. Nix, and A.S. Tetelman, The Principles of Engineering Materials, Fig. 1-7(a), p. 9, Electronically reproduced by permission of Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, New Jersey.

光學性質 • 透明度: 多晶：低高孔隙度 --氧化鋁因其結構不同而透停、半透明、不透明 多晶：低孔隙度 單晶 • 透明度: --氧化鋁因其結構不同而透停、半透明、不透明 單晶 多晶：低孔隙度 多晶：低高孔隙度 Adapted from Fig. 1.2, Callister 7e. (Specimen preparation, P.A. Lessing; photo by S. Tanner.)

劣化 • 應力與鹽水... • 熱處理：在鹽水中可降低裂紋速率 裂紋速率 --導致裂紋! -- 7150-T651 鋁合金 裂紋速率 • 應力與鹽水... --導致裂紋! • 熱處理：在鹽水中可降低裂紋速率 裂紋速率 裂紋速率 無熱處理狀態 10 -8 160ºC-1小時 7178鋁合金在 23ºC飽和鹽水中試驗 10 -10 m/s 增加荷重 Adapted from Fig. 11.20(b), R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials" (4th ed.), p. 505, John Wiley and Sons, 1996. (Original source: Markus O. Speidel, Brown Boveri Co.) Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 17, Callister 7e. (from Marine Corrosion, Causes, and Prevention, John Wiley and Sons, Inc., 1975.) 4 mm -- 7150-T651 鋁合金 (Zn,Cu,Mg,Zr) Adapted from Fig. 11.26, Callister 7e. (Fig. 11.26 provided courtesy of G.H. Narayanan and A.G. Miller, Boeing Commercial Airplane Company.)

結論 課程目標: • 正確使用材料. • 瞭解性質、結構、製程之間的關係 • 體認適當選擇材料可以提供新設計