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材料学 第二章

2011-9-6 14:32| 发布者: editor04| 查看: 2005| 评论: 0

摘要: 陶瓷材料主要是由金属的氧化物或碳化物所构成。具有与金属不同的链接特性,因此其物性与金属 差異很大。例如铝是金属,而氧化铝是陶瓷,氧化铝的链接主要是離 ...
五、陶瓷材料 (Ceramics)
     陶瓷材料主要是由金属的氧化物或碳化物所构成。具有与金属不同的链接特性,因此其物性与金属 差異很大。例如铝是金属,而氧化铝是陶瓷,氧化铝的链接主要是離子键,较铝之金属键强上许多,也 因此其熔点也比铝高上很多,但因離子键结使得陶瓷导热能力差,因而成为良好的绝缘体,不过也因为 链接的特性,使其硬度虽高,但延展性却相当差且易脆。
     除了陶器外,黏土烧成的砖、瓦以及水泥制品等都算是陶瓷。一般而言,这一類用在建材上的陶瓷,又通称结构陶瓷。随着科技发展,现在的陶瓷已有长足的进步。陶瓷应用于精密仪器中也十分普遍, 这類光电用陶瓷,一般又称精密陶瓷。
     一般而言,陶瓷材料都具有一定的结晶结构,但如果在加工过程中,冷却速度太快,其分子來不及排列,而形成非定形的结构,我们通称之为玻璃。以氧化硅为主的玻璃,在我们日常生活中最为普遍。 而氧化硅在链接中以四面体结构存在而构成玻璃的网狀结构,这个结构是玻璃强化的主要机制。如果在玻璃中加入其它成份,例如钠及钙,四面体的网狀结构会被破坏,可使其软化,容易加工。如加入氧化棚及氧化钠之玻 璃,由于成形容易,可制成烧杯及试管等。
     利用加工之技巧,我们也可制造出其结构介于陶瓷及玻璃之间的玻璃陶瓷。一般的玻璃陶瓷其结晶度多控制在 10%以下,结晶颗粒约在 0.1~0.01 微米之间。这一類的材料,一般具有优越的耐热冲击能力,旦抗碎程度远大于一般之陶瓷及玻璃。
     陶瓷在电的应用上,最有趣的大概就是压电效应 (piezoelectric effect)了,石英便具有这方面的 特性。由于受到极化的影响,材料受压变形会产生电压。当然,施加电压也可使其变形。若经过适当的 设计,则这類的材料可用在超音波之发射及接收。
六、高分子材料 (Polymers)
      由许多的小分子物以共价键或凡得瓦尔力之類的次键结结合成的大分子物,通常又称为聚合体或塑胶。它具有容易变形、轻量、绝缘及低强度、低熔点等特性,大多數的大分子物其骨架是碳原子,算是 一种有机材料,至目前无止,种類已超过數百万种。
      而聚合物就是指许多的单体 monomers,透过化学反应而聚集在一起;依其聚化反应 polymeriza-tion reaction,又可分为加成 addition 聚合反应与缩和 condensation 聚合反应;基于特殊用途时,可以 用物理或化学方法将其改质,以获得所希望的性质。
常見高分子材料的形式:
  • 纤维:Kevlar、PET、PAN、Nylon、Rayon、棉毛類等
  • 塑料:PVC、PE、PP、PU、PS、ABS...
  • 薄膜:PAN 膜、RO 逆渗透膜、PE 膜…
  • 油墨:感光剂、挥发剂、润滑油、阻水剂
  • 涂料:PTFE 铁氟龍、油漆、亮光漆、黏着剂、树脂、蠟
  • 液晶:Kevlar、Thermotropic 热向液晶、Lyotropic 離液液晶

(一)高分子材料在光学材料的应用
光纤维:以光來传递讯号,1964 年杜邦公司就有塑料光纤维的商品化生产,光在纤维内部全反射 传送讯号,塑料光纤维的柔软可挠性及加工接合性均佳,惟传送损失较硅光纤维高,且耐候性、 耐化药性较硅光纤维差,目前在短距離的应用上具有制造成本较低、加工性及挠屈性高的发展浅 力。
隐形眼镜:目前市面上的隐形眼镜以高透氧性、舒适性、长时间佩戴等为诉求,分为硬性和软性,硬型以 PMMA 为主成分,折射率适当、透明、质轻;软型隐形眼镜则以 HEMA 为主成分,具 有较高的透氧性和亲水性,可较长时间的佩戴,对于近视族而言,除了带眼镜外,隐形眼镜也是用來矫正视力的好选择。

(二)高性能的高分子材料材料
工程塑料:一般塑料如聚乙烯 PE、聚丙烯 PP 及聚苯乙烯 PS 最为广用,但具有耐热性差、低机 械强度等缺点,而具有较高强度、热变形温度在 100℃以上的塑料材料则称之为工程塑料,以取 代一般铁板压膜、锌或铝铸件的零件;如超高分子量 PE、ABS 塑料,不但具有所需的高强度, 其轻量化和较低的成本更是应用的主因。
人工透膜:人体的肾脏可将体内毒素濾出,当其机能发生障碍,更换使用与人体兼容的肾脏将是 最好的方法。人工肾脏是由适当的高分子分離膜所组成的,具有渗析或超微过濾的功能,目前世 界上有數十万人依靠这類装置维生。
碳纤维:碳纤维具有高比强度、耐高温、低密度、等优点目前除了航天工业不可或缺,更是一般
工业、运动休闲用品的最爱之一;而活性碳纤维最近几年更是新宠,且国内已有国际级的水平和 生产。
液晶:大部分的有机化合物固体加热至熔点会变成透明液体但有一些有机物并不直接变成透明液体,而是先变成白浊的液态,此一白浊液体具有光学双折射现象,似乎介于分子无序排列的液体 与三次元排列构造的结晶固体之间。一般称此狀态为液晶 Liquid crystals。近年來手提电脑或掌上型计算机的屏幕,多是应用液晶的研究成果。
 锂離子二次电池:传统锂離子电池是以液体有机电解液搭配锂化物当正极,和碳负极组成:现在的高分子电池是以高分子电解膜取代有机电解液和隔離膜,正负极间用隔離膜隔开,其选用之正 极材料和电解质膜的特性就成为目前研究的重点。锂離子二次电池尚有许多待突破的空间如:提 高其体积或重量能量密度,改善充放电性质,提高安全性,体积薄化,成本价格的降低等等。

七、半导体材料 (Semiconductors)
     半导体材料是近十年來热门的材料之一,拜半导体科技进步之赐,电子信息产业发展进步一日千里
,国内科学园区或工业区的大型晶圆厂,更显现我国半导体科技之发达。 它的导电性介于绝缘与良导体间,常見的原料是位于原子周期表四 A 族的 Si、或三-五族的 Ga-As等,半导体的能隙大小是决定其传导性的重要因素,藉由外加能量,即可获得通路或断路的电流信号;利用半导体对电压的特性,可以应用于积体电路 IC、二极管组件、晶体管和半导体雷射等等。

半导体组件:因为半导体可藉由外加能量改变其电的传导性,所以像应用在热电阻器上,就可以 藉由其半导体导电度和温度的关系测得温度,火灾警鈴是一个常見的半导体材料的应用。
二极管组件:整流器可将交流电转换成直流电,它将兩种不同型的半导体黏结(p-n  junction), 使电流在经过此组件时,只能以单方向通过,反向时就无电流通过。
晶体管组件:利用半导体的独特电性,将半导体材料作成  p-n-p 或 n-p-n 的结合可用來放大精密 仪器中微小的电流讯号。
半导体雷射:目前实用中最便宜的雷射是以類似晶体管的技术生产的半导体雷射,具备了轻巧、
坚固、高效率、低消耗、寿命长等优点。主要应用在光纤通讯和精密量测仪器上,家用电器如在 激光视盘机或 CD 随身听、音响或雷射打印机裡也可見到一颗被用來精密讀取资料的小组件。



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