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1 第十三章材料的種類與應用 掃描式電子顯微鏡照片顯示一種玻璃 - 陶瓷材料的顯微組織, 其中細長狀葉片組織使得此材料具有非常優良的強度與韌性 X 65,000( 照片由 L R. Pinckney and G. J Fine of Corning Incorporated 提供 ) 第十三章材料的種類與應用 1

2 本章章節 13.1 簡介 13.2 鐵屬合金 13.3 非鐵合金 13.4 玻璃 13.5 玻璃 - 陶瓷 13.6 黏土製品 13.7 耐火材料 13.8 磨料 13.9 水泥 先進陶瓷 鑽石與石墨 塑膠 彈性體 纖維 各種應用例 先進高分子材料 第十三章材料的種類與應用 2

3 為什麼要研習材料的種類與應用? 工程人員經常需要選擇適當的材料, 因此必須熟悉各種不同材料的特性, 也必須使用擁有大量材料性質的資料庫 第十三章材料的種類與應用 3

4 13.1 簡介 (Introduction) 在許多場合中, 工程師必須針對不同的用途選用適當的材料 因此, 負責選擇材料的人員, 必須熟悉可供選用材料的資訊 本章將對各種金屬合金 陶瓷 高分子材料之性質與限制, 作全面性的介紹 第十三章材料的種類與應用 4

5 金屬合金的種類 (Types of Metal Alloys) 金屬合金以成份區分成兩大類 : 鐵屬合金與非鐵屬合金 以鐵為主要成份的鐵屬合金包括鋼及鑄鐵 本章先討論鐵合金特性, 隨後再說明非鐵屬合金 第十三章材料的種類與應用 5

6 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 鐵屬合金 (ferrous alloys) 以鐵為主要成份, 產量居所有合金之冠, 與建築材料一樣重要 鐵屬合金用途廣泛的原因包括 : (1) 在地殼內蘊藏豐富的含鐵化合物, (2) 鐵與鋼的提煉 精煉 合金化等製程皆十分經濟, (3) 鐵屬合金種類多, 具有廣泛的機械及物理性質 本節將討論多種鋼與鑄鐵的成份 顯微組織及性質 圖 13.1 顯示各種鐵屬合金的分類 第十三章材料的種類與應用 6

7 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 鋼 ( Steels ) 鋼為鐵 - 碳合金, 並可能包含多種其他種類的合金元素 ; 不同的化學成份或熱處理程序, 使得此種合金種類多達數千種 鋼的機械性質受碳含量影響甚鉅, 其含量通常皆在 1.0 wt% 以下 一般鋼材以碳含量多寡而分為低 中 高碳鋼, 更可進一步以其他合金元素來區分 普通碳鋼 (plain carbonsteels) 中除了碳與錳之外, 只有殘留不純物合金鋼 (alloy steels) 則另外加入特定的合金元素 第十三章材料的種類與應用 7

8 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 低碳鋼 ( Low-Carbon Steels ) 低碳鋼是鋼中產量最大的種類, 其碳的成份大都低於 0.25 wt%, 因此無法經由淬火而獲得麻田散鐵, 須藉由冷加工來強化 另一種低碳鋼為高強度低合金鋼 (highstrength, low-alloy steels;hslasteals), 其中包含的合金元素有銅 釩 鎳及鉬等等, 總合金含量高達 10wt%, 強度優於普通低碳鋼 第十三章材料的種類與應用 8

9 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 圖 13.1 各種鐵屬合金的分類 第十三章材料的種類與應用 9

10 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 表 13.1a 五種普通低碳鋼及三種高強度低合金鋼的成份 第十三章材料的種類與應用 10

11 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 表 13.1b 各種熱軋普通低碳鋼與高強度低合金鋼的機械性質與典型應用例 第十三章材料的種類與應用 11

12 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 中碳鋼 ( Medium-Carbon Steels ) 中碳鋼的碳含量介於 0.25 到 0.60 wt% 之間, 這些合金可藉沃斯田鐵化 淬火 回火等熱處理程序而強化, 大多含有回火麻田散鐵的組織 多種中碳合金鋼的成份列於表 13.2a 關於規範的說明如下 : 美國汽車工程師協會 (SAE) 美國鋼鐵學會 (AISI) 及美國材料試驗協會 (ASTM) 提供這些鋼及其他合金的分類及規範 第十三章材料的種類與應用 12

13 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 高碳鋼 ( High-Carbon Steels ) 高碳鋼的碳含量多在 0.60 到 1.4 wt% 之間, 是碳鋼中強度最佳, 硬度最高, 但延性最差的鋼種 高碳鋼都是熱處理成為回火麻田散鐵的組織, 耐磨耗並且可以作為尖銳的切削刀刃 工具鋼與模具鋼為高碳鋼中添加鉻 釩 鎷及鉬等合金元素, 這些合金元素與碳結合形成非常硬及耐磨耗的金屬碳化物 ( 如 Cr 23 C 6 V 4 C 3 及 WC) 表 13.3 中列舉了一些工具鋼的化學組成及應用實例, 這些鋼用於切削工具及材料成形的模具, 或是刀具 刀片 鋸片 葉片 彈簧與高強度鋼索 第十三章材料的種類與應用 13

14 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 不鏽鋼 ( Stainless steels ) 在許多環境中 ( 特別在大氣環境 ), 有良好的抗腐蝕 ( 生鏽 ) 能力 最主要的合金元素為鉻, 不鏽鋼中最低含鉻量為 11 wt%; 添加鎳與鉬可提昇耐蝕性 不鏽鋼依其主要的顯微組織可分為三類 麻田散鐵系 肥粒鐵系 沃斯田鐵系 許多不同種類的不鏽鋼列於表 13.4, 包括其化學組成 機械性質及應用實例 多樣性的機械性質以及優良的耐蝕能力使得不鏽鋼用途極廣 第十三章材料的種類與應用 14

15 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 表 13.2a 普通碳鋼與多種低合金鋼的化學組成, 及其 AISI/SAE 與 UNS 編號系統 第十三章材料的種類與應用 15

16 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 表 13.2b 油淬 回火的普通碳鋼及合金鋼, 其機械性質範圍及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 16

17 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 表 13.3 六種工具鋼之名稱 成份與應用實例 第十三章材料的種類與應用 17

18 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 表 13.4 沃斯田鐵 肥粒鐵 麻田散鐵系及析出硬化型不鏽鋼之編號 成份 機械性質及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 18

19 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 鑄鐵 ( Cast Irons ) 一般而言, 鑄鐵為碳含量高於 2.14 wt% 的鐵合金 ; 實際上, 鑄鐵中的碳約在 3.0 到 4.5 wt% 之間, 並添加其他合金元素 重新檢視鐵 - 碳化鐵平衡圖 ( 圖 10.26), 顯示鑄鐵在 1150 到 1300 C(2100 到 2350 F) 間為液態, 低於鋼的熔融溫度, 因此鑄鐵易於熔化而加以鑄造 此外, 部份鑄鐵很脆, 鑄造是最便利的製造方法 雪明碳鐵 ( Fe 3 C ) 是介穩態的化合物, 在適當的情況下, 會分解成 α 肥粒鐵與石墨 : 第十三章材料的種類與應用 19

20 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 圖 13.2 以石墨 ( 真正安定相 ) 替代雪明碳鐵的鐵 - 碳平衡圖 第十三章材料的種類與應用 20

21 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 灰鑄鐵 ( Gray Iron ) 灰鑄鐵中碳與矽的含量分別介於 2.5 到 4.0 wt%, 及 1.0 到 3.0 wt% 之間 大部份灰鑄鐵中的石墨為片狀 ( 像是玉米片 ), 四周則為 α 肥粒鐵或是波來鐵基質 典型灰鑄鐵的顯微組織示於圖 13.3a 因為存在這些片狀石墨, 裂斷面呈灰色, 因而稱為灰鑄鐵 灰鑄鐵的耐磨耗性佳 在熔融狀態時, 灰鑄鐵的流動性良好, 故可以鑄造複雜形狀的鑄件, 且鑄造收縮也很小 第十三章材料的種類與應用 21

22 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 延性 ( 或球墨 ) 鑄鐵 ( Ductile ( or Nodular ) Iron ) 鑄造前在灰鑄鐵中加入鎂或鈰, 或者同時加入兩者, 可產生截然不同的顯微組織與機械性質 石墨形成球狀, 而非片狀, 故這種鑄鐵稱為球墨 (nodular) 或延性鑄鐵 (ductile iron), 其典型的顯微組織如圖 13.3b 所示 延性鑄鐵的機械性質與鋼接近, 例如肥粒鐵基質的延性鑄鐵抗拉強度介於 380 到 480 MPa(55000 到 psi) 之間, 延性 ( 伸長率 ) 達 10 到 20% 第十三章材料的種類與應用 22

23 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 白鑄鐵與展性鑄鐵 ( White Iron and Malleable Iron ) 低矽鑄鐵 ( 矽含量低於 1.0 wt%) 加上凝固時快速冷卻, 大部份的碳會以雪明碳鐵的形式存在, 而不是石墨, 如圖 13.5 所示 因為此種鑄鐵破斷面呈白色, 故稱為白鑄鐵 一般而言, 白鑄鐵僅是要產生展性鑄鐵的過渡性組織而已 第十三章材料的種類與應用 23

24 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 圖 13.3 多種鑄鐵顯微組織的光學金相照片 (a) 灰鑄鐵 : 黑色片狀石墨嵌接於肥粒鐵基質中, 放大 500 倍 第十三章材料的種類與應用 24

25 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 圖 13.3 多種鑄鐵顯微組織的光學金相照片 (b) 延性 ( 球墨 ) 鑄鐵 : 黑色球狀石墨四周有肥粒鐵基質包圍, 放大 200 倍 第十三章材料的種類與應用 25

26 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 圖 13.3 多種鑄鐵顯微組織的光學金相照片 (c) 白鑄鐵 : 淺色的雪明碳鐵區域四周有波來鐵基質包圍, 波來鐵為 肥粒鐵 雪明碳鐵的層狀組織, 放大 400 倍 第十三章材料的種類與應用 26

27 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 圖 13.3 多種鑄鐵顯微組織的光學金相照片 (d) 展性鑄鐵 : 黑色薔薇狀石墨 ( 回火碳 ) 散佈於肥粒鐵基質中, 放大 150 倍 第十三章材料的種類與應用 27

28 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 表 13.5 各種灰鑄鐵 球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號, 最低機械性質, 約略成份與典型應用例 第十三章材料的種類與應用 28

29 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 表 13.5 各種灰鑄鐵 球墨鑄鐵及展性鑄鐵之編號, 最低機械性質, 約略成份與典型應用例 第十三章材料的種類與應用 29

30 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 圖 13.4 (a) 鋼與 (b) 灰鑄鐵振動阻尼能力之比較 第十三章材料的種類與應用 30

31 13.2 鐵屬合金 (Ferrous Alloys) 圖 13.5 鐵 - 碳平衡圖中商用鑄鐵之成份範圍 同時也顯示不同熱處理所得到之顯微組織,Gf : 片狀石墨 ; Gr : 薔薇狀石墨 ;Gn: 球狀石墨 ; P : 波來鐵 ;α: 肥粒鐵 第十三章材料的種類與應用 31

32 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 鋼及其他鐵屬合金的使用量相當大, 因為它們具有廣泛的機械性質, 易於生產, 且價格低廉 然而這些金屬也具有一些獨特的限制 : (1) 高密度 (2) 低導電度 (3) 在一般環境中易腐蝕 合金若脆性高, 無法以大量塑性變形而成形, 須以鑄造方式形成, 這種合金稱為鑄造合金 (cast alloys) 相反的, 適合塑性變形而成形的合金, 稱為鍛造合金 第十三章材料的種類與應用 32

33 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 銅及其合金 ( Copper and Its Alloys ) 銅及其合金因具有良好的物理性質, 自古以來就使用在多種不同的場合 純銅過於柔軟且延性佳, 因而不易加工, 而且冷加工性不佳 青銅 (bronzes) 為銅與數種其他元素如錫 鋁 矽及鎳的合金 這種合金的強度比黃銅稍高, 且耐蝕性更佳 表 13.6 中列出數種青銅的化學成份, 性質及應用例 一般而言, 青銅用於必須兼顧強度與耐蝕的場合 第十三章材料的種類與應用 33

34 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.6 八種銅合金之成份 機械性質與典型應用例 第十三章材料的種類與應用 34

35 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.6 八種銅合金之成份 機械性質與典型應用例 第十三章材料的種類與應用 35

36 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 鋁及其合金 ( Aluminum and Its Alloys ) 鋁及其合金的特點為低密度 (2.7g/cm 3, 而鋼的密度為 7.9g/cm 3 ), 高導電度與導熱性, 在一般大氣的環境中耐蝕性良好 ; 大部份此類合金的延性佳, 易於成型, 此由鋁可輥軋成鋁箔片可以看出 鋁具有 FCC 的結晶構造, 所以其優良的延性可以保持到低溫 鋁合金的最大限制為其低熔點 660 C(1220 F), 限制了鋁合金的使用溫度 第十三章材料的種類與應用 36

37 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.7 數種常見鋁合金的成份 機械性質與典型應用例 第十三章材料的種類與應用 37

38 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.7 數種常見鋁合金的成份 機械性質與典型應用例 第十三章材料的種類與應用 38

39 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.7 數種常見鋁合金的成份 機械性質與典型應用例 第十三章材料的種類與應用 39

40 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 鎂及其合金 ( Magnesium and Its Alloys ) 鎂最重要的特性是密度只有 1.7 g/cm 3, 是所有結構材料中的最低值 因此鎂主要使用在以輕量為主要考量的場合, 如飛行器的零件 鎂具有 HCP 的結晶構造, 質軟, 且彈性係數僅有 45 GPa( psi) 鎂合金可分為鍛造及鑄造合金, 其中有部份可以進行熱處理 主要的合金元素包括鋁 鋅 錳及一些稀土族元素 成份 熱處理的編號系統與鋁合金相近, 表 13.8 列出多種常見鎂合金之化學成份 性質及用途 第十三章材料的種類與應用 40

41 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 鈦及其合金 ( Titanium and Its Alloys ) 鈦及其合金係新型合金, 具有良好的性質組合 純鈦的密度相當低 (4.5g/cm3), 熔點高 [1668 (3035 )], 彈性係數達 107 GPa( psi) 鈦合金的強度極高, 室溫的抗拉強度達 1400 MPa(200,000 psi), 比強度值很高 此外, 鈦的延性佳, 易於鍛造及加工 表 13.9 中列出了一些鈦合金的化學組成 典型性質及應用例子 鈦合金多用於飛機結構 航空器 外科植入材料及石化產業中 第十三章材料的種類與應用 41

42 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 耐高溫金屬 ( The Refractory Metals ) 具有高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬, 包括鈮 ( Nb ) 鉬 (Mo) 鎢(W) 及鉭 (Ta) 熔點介於鈮的 2468 C (4474 F) 到鎢的 3410 C(6170 F), 鎢的熔點為金屬中最高值 鉭與鉬可以加入不鏽鋼中, 以提高其耐蝕性 ; 鉬合金使用於擠製模及航空器的結構零件 ; 白熱燈絲,X 射線管及焊極可使用鎢合金 鉭在 150 C 之下可以忍受化學品的侵蝕, 常使用在需要耐蝕的場合 第十三章材料的種類與應用 42

43 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 超合金 ( The Super Alloys ) 超合金具有最佳的性質組合 大部份用於航空器的渦輪機零件, 必須在合理時間內承受曝露於嚴苛的氧化及高溫的環境中, 在這種情況下, 材料機械性質的完整性非常重要 ; 在這方面, 密度是一項重要的考量, 因為當密度降低時, 迴轉零件的離心應力將可降低 超合金以其主要金屬而分類, 包括有鈷 鎳或鐵 ; 其他的合金元素包括耐高溫金屬 (Nb Mo W Ta), 以及鉻與鈦 除了應用於渦輪機之外, 超合金也應用在核能反應器及石化工業設備 第十三章材料的種類與應用 43

44 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.8 六種常見鎂合金的成份 機械性質及典型應用例 第十三章材料的種類與應用 44

45 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.8 六種常見鎂合金的成份 機械性質及典型應用例 第十三章材料的種類與應用 45

46 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.9 數種常見鈦合金的成份 機械性質及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 46

47 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 表 13.9 數種常見鈦合金的成份 機械性質及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 47

48 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 貴重金屬 ( The Noble Metals ) 貴重金屬為八種具有某些共同物理性質的金屬 這些金屬價格昂貴, 且性質優異, 主要的特性有柔軟 延性佳 抗氧化佳 貴重金屬包括銀 金 鈀 鉑 銠 釕 銥及鋨 前三種最常見, 並廣泛使用於手飾 金與銀可以藉固溶銅而強化 ; 貨幣用銀為含 7.5 wt% 銅的銀 - 銅合金 銀與金的合金可用於牙科的修補材料 ; 此外, 部份積體電路以金作為電的接點 鉑用於化學實驗室的設備, 作為觸媒 ( 特別在生產石油時 ), 及作為量測高溫溫度的熱電偶 第十三章材料的種類與應用 48

49 13.3 非鐵合金 (Nonferrous Alloys) 其他非鐵合金 ( Miscellaneous Nonferrous Alloys ) 以上所討論包括了大部份的非鐵合金 然而, 尚有一些非鐵合金也應用在各種工程上, 值得作一概要的說明 鎳及其合金在許多環境中具有極佳的耐蝕性, 特別是在鹼性環境中 附錄 B 列有多種金屬與合金廣泛的機械性質 ( 如密度 彈性係數 降伏及抗拉強度 導電係數 熱膨脹係數等 ) 第十三章材料的種類與應用 49

50 陶瓷的種類 (Types of Ceramics) 先前的討論已說明金屬與陶瓷的物理性質有極大的差異 因此, 金屬與陶瓷的應用場合極為不同, 且經常具有互補性 ; 陶瓷與高分子材料的關係也是如此 大部份的陶瓷在應用 分類法之下, 可以分為 : 玻璃 結構黏土產品 瓷器 耐火材料 磨料 水泥及新近發展的先進陶瓷 圖 13.6 顯示這些材料的分類圖, 以下將針對各材料逐一略述, 此外也將對鑽石與石墨的性質與應用作一說明 第十三章材料的種類與應用 50

51 13.4 玻璃 (Glasses) 玻璃是常見的一種陶瓷, 典型應用例包括容器 窗戶 鏡片及玻璃纖維 先前已提過玻璃是非晶質的矽酸鹽, 並含有其他的氧化物, 主要的氧化物有 CaO Na 2 O K 2 O 及 Al 2 O 3, 這些氧化物會影響玻璃的性質 典型鈉灰石玻璃包括大約 70 wt% 的 SiO 2, 其餘成份為 Na 2 O( 鈉鹼 ) 及 CaO ( 石灰 ) 表 中列舉多種常見玻璃的成份 玻璃兩個最重要的價值為光學透明性及易於製造 第十三章材料的種類與應用 51

52 13.4 玻璃 (Glasses) 表 13.6 以應用分類的陶瓷材料 第十三章材料的種類與應用 52

53 13.4 玻璃 (Glasses) 表 一些常見商業用玻璃的成份與特性 第十三章材料的種類與應用 53

54 13.5 玻璃 - 陶瓷 (Glass-Ceramics) 多數無機玻璃可藉由適當的高溫熱處理, 將非晶質狀態轉變成結晶 ; 此過程為玻璃質化 (devitrification), 所得的產品為細晶粒的多晶材料, 稱為玻璃陶瓷 (glassceramic) 玻璃陶瓷優異的特性為熱膨脹係數低, 因此熱震的影響小 ; 此外, 機械強度高且傳熱能力佳 有些玻璃陶瓷可製作成透光性, 也有的是不透明 玻璃陶瓷最引人注意的是容易製造, 傳統的玻璃成型技術可應用在製作玻璃陶瓷上, 可進行大量生產而幾乎沒有孔隙發生 第十三章材料的種類與應用 54

55 13.6 黏土製品 (Clay Products) 陶瓷材料中使用最廣泛的陶瓷原料是黏土, 不僅產量豐富, 價格低廉, 且開採後不需進行提升品質的製程即可使用 另一項優點為其成型性優異, 適當比例的黏土與水, 可形成易於塑造的物質 成形後的黏土先行烘乾以去除水份, 再進行高溫焙燒以增加其機械強度 大部份黏土可區分為兩大類 : 結構黏土製品 (structural clay products) 及瓷器 (whitewares) 結構黏土製品包括建築用磚 瓦 下水道管路等 ; 這些產品需要較佳的機械完整性 瓷器在高溫焙燒 (firing) 後會變成白色, 這類的黏土可用在瓷器 陶器 餐具及衛浴的管路配件 此外, 黏土製品中也含有許多其他成份, 對於產品在製程及最後的性質上都有一些影響 第十三章材料的種類與應用 55

56 13.7 耐火材料 (Refractories) 另一種用量大的重要陶瓷材料為耐火陶瓷, 具有突出的性質包括 : 高溫下不會分解或熔化 ; 在嚴苛的環境中, 仍不會發生反應, 並保持低活性 表 中列舉了數種商業用耐火材料, 許多耐火材料由成份不盡相同的大顆粒與小顆粒共同組成 在焙燒時, 小顆粒通常會形成黏著相, 是提高耐火磚強度的重要原因 ; 這個黏結相主要是玻璃相或是結晶體 一般耐火材料的使用溫度稍低於焙燒溫度 第十三章材料的種類與應用 56

57 13.7 耐火材料 (Refractories) 表 五種常見耐火陶瓷材料的成份 第十三章材料的種類與應用 57

58 13.7 耐火材料 (Refractories) 耐火黏土 ( Fireclay Refractories ) 耐火黏土的主要成分為高純度火黏土 (fireclays) 氧化鋁與矽石 (silica) 的混合物, 其中約含 25 至 45 wt% 的氧化鋁 根據 SiO 2 -Al 2 O 3 相圖 ( 圖 10.24), 不產生液相的最高溫度為 1587 C(2890 F), 低於此溫度的平衡相為富鋁紅柱石 (mullite) 與矽石 ( 矽石, cristobalite) 應用於高溫時, 可以產生少量的液相, 而不會降低機械完整性 (mechanical integrity) 耐火磚主要使用於建造爐體, 以包覆熱氣氛圍與阻絕爐體結構元件接觸高溫 耐火磚的作用不在於支撐爐體, 因此強度並非重要的考量, 但仍須控制成品尺寸的精確性與穩定性 第十三章材料的種類與應用 58

59 13.7 耐火材料 (Refractories) 耐火矽石 ( Silica Refractories ) 耐火矽石 ( 常稱為酸性耐火材料 ) 的主要成分為矽石 這類材料的特點為高溫下承受負載的能力, 常作為鋼與玻璃爐體的拱形爐頂, 使用溫度可達 1650 C(3000 F), 此時材料內部有一小部分已成為液態 耐火矽石中即使只含少量的氧化鋁, 也會對其性能有負面影響, 這一點可以由矽石 - 氧化鋁相圖 ( 圖 10.24) 得知 富含 CaO MgO 或兩者兼有的 ( 鹼性 ) 熔渣, 能輕易的侵蝕耐火矽石, 所以應避免接觸這些氧化物 第十三章材料的種類與應用 59

60 13.7 耐火材料 (Refractories) 鹼性耐火材 ( Basic Refractories ) 這種耐火材料富含方鎂石, 或稱氧化鎂 (MgO), 因而稱為鹼性耐火材料 除此之外, 也含有鈣 鉻與鐵的化合物 加入矽石對於高溫性能有負面的影響 鹼性耐火材料對於富含 MgO 與 CaO 的鹼性熔渣有極佳的抵抗性能, 因此廣泛應用於煉鋼的平爐中 第十三章材料的種類與應用 60

61 13.7 耐火材料 (Refractories) 特殊耐火材料 ( Special Refractories ) 除了上述材料之外, 尚有其他陶瓷應用於特殊耐熱的場合 其中部分為相當高純度的氧化物, 而且通常幾乎不含孔隙 ; 這類的材料有氧化鋁 矽石 氧化鎂 鈹土 (BeO) 氧化鋯(ZrO2) 與富鋁紅柱石 (3Al 2 O 3-2SiO 2 ) 除此之外, 還有碳與石墨, 以及碳化物 ; 碳化矽 (SiC) 可做為電爐的加熱元件 坩鍋以及爐中的元件 碳與石墨的耐高溫性能極佳, 但高於 800 C(1470 F) 時容易產生氧化, 應用上受到限制 由於特殊耐火材料的性質十分獨特, 可以預期其價格十分昂貴 第十三章材料的種類與應用 61

62 13.8 磨料 (Abrasives) 磨料陶瓷 (abrasive ceramics) 是用來磨除 研磨或切除其他較軟的材料 因此, 這類材料的首要考慮是硬度高且耐磨耗 ; 此外, 也須提高韌性來減少磨料的破壞 在磨除過程中, 磨擦面會產生高熱, 故磨料陶瓷也必須具有耐高溫特性 一般常用的磨料陶瓷包括碳化矽 (SiC) 碳化鎢 (WC) 氧化鋁( 剛玉 ) 及矽砂 磨光 研磨和拋光輪常利用含水或油為媒介來輸送離散的磨料, 這些磨料的顆粒尺寸範圍很大, 包括鑽石 剛玉 碳化矽及鐵丹 ( 氧化鐵 ) 等 第十三章材料的種類與應用 62

63 13.9 水泥 (Cements) 石膏粉 熟石膏及石灰, 這幾種常見的陶瓷材料, 稱為無機無機水泥 (cements); 這些材料的用量極大 波特蘭水泥中有數種不同的組成, 主要有矽酸三鈣 (3CaO-SiO 2 ) 及矽酸二鈣 (2CaO-SiO 2 ) 加入的水與波特蘭水泥各組之間複雜的水合反應, 決定了此種水泥的凝結與硬化過程, 例如涉及矽酸二鈣的水合反應為 : 第十三章材料的種類與應用 63

64 13.9 水泥 (Cements) 圖 13.7 金相照片顯示黏結氧化鋁之陶瓷磨料 ; 淺色區域 A1 2 O 3 磨料之顆粒, 灰色及暗色區域分別為黏結相與孔隙 放大 100 倍 第十三章材料的種類與應用 64

65 13.10 先進陶瓷 (Advanced Ceramics) 大部分使用的陶瓷是前面所探討的傳統陶瓷, 但是最近開發出的新陶瓷, 稱為先進陶瓷, 特別適合在高科技的應用上 尤其是陶瓷的電性 磁性 光學性質以及特有的性質組合, 皆已經利用來製成各種製品 ; 第 12 章曾討論一些這類製品 此外, 先進陶瓷也應用在光纖通訊系統 微機電系統 (MEMS) 製成球軸承以及利用一些陶瓷材料的壓電性質 以下將逐一探討這些主題 第十三章材料的種類與應用 65

66 13.10 先進陶瓷 (Advanced Ceramics) 壓電陶瓷 ( Piezoelectric Ceramics ) 有一些陶瓷 ( 以及一些高分子 ) 具有特殊的壓電性 (piezoelectricity)- 當陶瓷晶體產生機械應變 ( 尺寸改變 ) 時, 就會產生電極化 (electricpolarization, 亦即產生電場或電壓 ) 而這類材料所表現出的壓電逆效應, 則是作用電場導致材料的尺寸發生變化 常見的壓電陶瓷包括鈦酸鋇 (barium titanate) 鋯鈦酸鉛 (lead zirconatetitanate, PZT) 鈦酸鉛(lead titanate) 與鈉鉀鈮酸鹽 (sodium-potassiumniobate) 第十三章材料的種類與應用 66

67 13.10 先進陶瓷 (Advanced Ceramics) 微機電系統 (Microelectromechanical Systems;MEMS) 微機電系統 ( 簡稱 MEMS) 是一種微型智慧系統 (1.6 節 ), 包括多個機械元件與大量電子元件整合於矽基材上 MEMS 的製程幾乎與以矽為主的積體電路相同, 包括光蝕刻 離子植入 腐蝕與被覆等已經發展完整的科技 ; 此外也有些製程利用微加工的技術 MEMS 元件十分精密 可靠與小尺寸 因為上述的製程技術皆可以批次生產, MEMS 科技非常經濟且價格效能優異 第十三章材料的種類與應用 67

68 13.10 先進陶瓷 (Advanced Ceramics) 圖 13.8 掃描式電子顯微鏡照片, 顯示 MEMS 線性齒條齒輪的減速機構 圖中齒輪的旋轉運動轉 ( 左上 ) 變成線性運動, 以驅動線性尺條 ( 右下 ) 大約放大 100 倍 第十三章材料的種類與應用 68

69 13.10 先進陶瓷 (Advanced Ceramics) 光纖 ( Optical Fibers ) 現代光通訊系統中最重要的元件光纖, 其材料是一種新的先進陶瓷 光纖 (optical fiber) 是由極高純度的氧化矽所製成, 甚至連極低含量的雜質與缺陷都不允許, 因為這會吸收 散射或減弱傳送的光束 已經開發出先進 精密的製程, 以製造符合這種嚴苛要求的光纖 節中將討論光纖以及其在通訊中的角色 第十三章材料的種類與應用 69

70 13.10 先進陶瓷 (Advanced Ceramics) 陶瓷球軸承 ( Ceramic Ball Bearings ) 另一項陶瓷材料的新應用是軸承 軸承包括球與座圈, 使用時球與座圈相互接觸與摩擦 過去球與座圈都是以軸承鋼製成, 軸承鋼具有高硬度, 極度耐腐蝕, 且可以拋光成非常光滑的表面 全陶瓷軸承 ( 陶瓷球與陶瓷座 ) 已應用於部分嚴重腐蝕的場合有許多研究投注於發展氮化矽軸承, 發展中所面臨的挑戰包括 : 生產無孔隙材料的製造程序, 生產經過加工量最低的圓球, 以及拋光與研磨技術以獲得比鋼製軸承更平滑的表面 第十三章材料的種類與應用 70

71 13.10 先進陶瓷 (Advanced Ceramics) 圖 13.9 鑽石 : 薄膜的掃描式電子顯微鏡照片, 照片中可見許多多面的微小結晶 放大 1000 倍 第十三章材料的種類與應用 71

72 13.11 鑽石與石墨 (Diamond and Graphite) 鑽石 ( Diamond ) 鑽石因為物理性質優異而成為十分引人注意的材料 : 已知材料中硬度最高及非常低的導電度, 這些性質歸因於其結晶構造及非常強大的共價鍵 此外, 鑽石是非金屬材料中, 具有不尋常的高導熱度 ; 對於電磁光譜中的可見光及紅外線有透明性, 並具有很高的折射率 過去數年中已有薄膜狀的鑽石問市 ; 鑽石膜成長的技術, 包括汽態的化學反應及薄膜的沉積, 最大的厚度可達數公厘 第十三章材料的種類與應用 72

73 13.11 鑽石與石墨 (Diamond and Graphite) 石墨 ( Graphite ) 石墨的結構如圖 17 所示 ;3.9 節的討論中提到的石墨六邊形層狀間的原子鍵結為凡得瓦爾鍵, 因此層狀間的鍵結力十分薄弱 層面間的破斷面平整, 使得石墨具有良好的潤滑能力 此外, 平行於六邊面間結晶方向的導電度相當高 石墨其他優異的性質包括 : 高溫及非氧化環境中具有高強度及高安定性 高導熱性 低熱膨脹係數 耐熱震 吸收氣體能力佳 加工容易 石墨常用來作為電爐的加熱元件, 電弧焊的電極, 電路接點, 電刷與電阻器, 及電池的電極 ; 應用於冶金用坩堝 金屬與陶瓷的鑄模 高溫耐火材及絕熱材料 火箭噴嘴 化學反應槽及空氣清淨裝置 中 第十三章材料的種類與應用 73

74 13.11 鑽石與石墨 (Diamond and Graphite) 高分子的種類 (Types of Polymers) 我們熟知許多種的高分子材料, 其用途十分廣泛 ; 包括塑膠 彈性體 ( 或橡膠 ) 纖維 鍍層黏著劑 泡沫塑膠以及薄膜 一種高分子材料, 可以應用在二種或更多的場合 例如, 經由交聯並且使用在玻璃相轉移溫度之上的塑膠, 可能是個適用的彈性體 ; 另外, 纖維材料在未抽拉成絲前, 也可以作為塑膠 在此對高分子材料作一扼要說明 第十三章材料的種類與應用 74

75 13.12 塑膠 (Plastics) 各種高分子材料中以塑膠的種類最多 聚乙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 氟碳化合物 環氧樹脂 酚類及酯類都可歸類為塑膠 塑膠可能具有某種結晶度及完全的分子結構與組態 ( 線 分枝 順排等 ) 塑膠材料有熱塑性及熱固性兩種, 實際上, 塑膠常以這個性質來分類 表 中列舉了多種塑膠的商標名稱 特性及典型應用例 第十三章材料的種類與應用 75

76 13.12 塑膠 (Plastics) 表 數種塑膠的商標名稱 特色及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 76

77 13.12 塑膠 (Plastics) 表 數種塑膠的商標名稱 特色及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 77

78 13.12 塑膠 (Plastics) 表 數種塑膠的商標名稱 特色及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 78

79 13.12 塑膠 (Plastics) 表 ( 續 ) 第十三章材料的種類與應用 79

80 13.12 塑膠 (Plastics) 表 ( 續 ) 第十三章材料的種類與應用 80

81 13.12 塑膠 (Plastics) 表 ( 續 ) 第十三章材料的種類與應用 81

82 13.13 彈性體 (Elastomers) 彈性體的變形機構已於 8.19 節中說明, 在本節中將討論彈性體的種類 表 中列舉了常見彈性體的性質與應用例 ; 表中所列只是典型的數值, 實際性質與硫化程度及是否使用強化物有關 目前仍然使用大量的天然橡膠, 因為其具有優異的性質組合 ; 最重要的合成彈性體為 SBR, 以碳黑強化後主要使用在汽車輪胎 另一種常見的合成為彈性 NBR, 對於退化及膨脹的抵抗性優異 第十三章材料的種類與應用 82

83 13.13 彈性體 (Elastomers) 表 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 83

84 13.13 彈性體 (Elastomers) 表 五種商用彈性體重要的特性及典型應用實例 第十三章材料的種類與應用 84

85 13.13 彈性體 (Elastomers) 聚矽氧橡膠 (silicone rubber), 這些材料中交替的矽及氧原子取代主要的碳鍵 : 其中 R 與 R 代表側鍵原子, 如氫或是如 CH 3 的原子團 例如聚二甲基矽氧烷的單體單元結構為 當然這些彈性體為交聯的材料 第十三章材料的種類與應用 85

86 13.14 纖維 (Fibers) 纖維 (fiber) 高分子可以抽成長絲, 長度 直徑的比值可達 100: 1 紡織業使用大多數的纖維高分子來編織成衣物或布料 ; 此外, Aramid( 芳香族聚胺基 ) 纖維則用於複合材料之中 衣物洗滌與保存的便利性主要是取決於纖維高分子的熱性質, 也就是熔點與玻璃相轉移溫度 此外, 纖維高分子必須於許多的環境中保持化學安定性, 包括酸性 鹼性 漂白液 乾洗溶劑及日光等環境中 再則, 纖維高分子也需要不易燃且易於曬乾 第十三章材料的種類與應用 86

87 13.15 各種應用例 (Miscellaneous Applications) 塗膜 ( Coatings ) 塗膜被覆在材料表面, 以提供下列一項或多項的目的 : (1) 保護物品, 避免受到腐蝕或退化 (2) 增加物品美觀 (3) 提供物品電絕緣性 塗膜的成份有很多是高分子, 且以有機高分子居多 有機塗膜可分為 : 油漆 塗料 天然漆 蟲膠 第十三章材料的種類與應用 87

88 13.15 各種應用例 (Miscellaneous Applications) 黏結劑 ( Adhesives ) 黏結劑用來黏結兩個固體材料的表面, 並使結合的物體具有高剪力強度 黏結劑與結合面間的結合力是靜電型式, 類似熱塑性高分子中分子鏈間的二次鍵結力 作為黏結劑的高分子材料包括熱塑性塑膠 熱固性樹脂 彈性體化合物 ; 而天然黏結劑 ( 動物膠 酪蛋白 漿糊及樹脂 ) 也具有黏結的功能 高分子黏結劑可黏結多種不同的材料 : 金屬 - 金屬, 金屬 - 塑膠, 金屬 - 陶瓷等等 第十三章材料的種類與應用 88

89 13.15 各種應用例 (Miscellaneous Applications) 薄膜 ( Films ) 高分子材料在最近常作成薄膜 (films) 使用, 薄膜的厚度在 到 mm 間 (0.001 到 英吋 ), 廣泛作成食品及其他商品的包裝袋, 或紡織品, 及其他許許多多的用途 作為薄膜所需的特性有 : 低密度 高撓性 高抗拉及撕裂強度 對於濕氣及其他化學品有極高的抵抗能力, 而且透氣 ( 尤其是水蒸氣 ) 性低 符合這些要求而作成薄膜的高分子材料有聚乙烯 聚丙烯 賽璐玢及乙酸纖維素 第十三章材料的種類與應用 89

90 13.15 各種應用例 (Miscellaneous Applications) 發泡塑膠 ( Foams ) 發泡塑膠 (foams) 為含有大量孔隙的塑膠 ; 熱塑性及熱固性塑膠都可以作成發泡塑膠, 包括聚胺脂 橡膠 聚苯乙烯與聚氨乙烯 發泡塑膠常用於車輛及家俱中的坐墊, 包裝材料與絕熱材料 發泡過程是在材料加熱過程中加入發泡劑, 發泡劑釋放出氣體, 使具流動性的流質材料產生氣泡, 這些氣泡在溫度下降時成為孔隙, 最後產生近似海綿的組織 第十三章材料的種類與應用 90

91 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 最近已經開發出許多兼具多種獨特性質的高分子材料, 部分已應用於高科技領域中, 或是取代現有的材料 這類高分子包括超高分子量聚乙烯 液晶高分子與熱塑性彈性體 以下將討論這些材料 第十三章材料的種類與應用 91

92 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 超高分子量聚乙烯 ( Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene ) 超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 是具有極高分子量的線性高分子, 其一般大約為 g/mol, 大於高密度聚乙烯有一個冪次 ( 亦即 10 倍 ) 之多 UHMWPE 纖維以為 Spectra 商標名稱 第十三章材料的種類與應用 92

93 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 這種材料所具有的不尋常特性包括 : 1. 極佳的耐衝擊性能 2. 極佳的耐磨與摩擦性 3. 非常低的耐磨耗係數 4. 具有自潤滑與不沾黏的表面 5. 對於常見溶劑有優異的化學抵抗 6. 極佳的低溫性質 7. 優異的吸震與能量吸收性能 8. 電的絕緣體與優異的介電性 第十三章材料的種類與應用 93

94 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 液晶高分子 ( Liquid Crystal Polymers ) 液晶高分子 (liquid crystal polymers;lcps) 這一類材料的化學組成複雜且結構與眾不同, 具有獨特的性質, 可應用於多種不同的場合 液晶高分子可分為三種 : 層列型 (smectic) 向列型 (nematic) 膽固醇型 (cholesteric) 第十三章材料的種類與應用 94

95 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 圖 熔融與固態下分子結構的示意圖 :(a) 半結晶體, (b) 非晶質, 與 (c) 液晶高分子 第十三章材料的種類與應用 95

96 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 有些層列型液晶高分子在室溫下為剛性的固體, 基於此而產生許多性質與製造特性的組合, 因而在商業上有許多的應用 例如, 這種材料有下列的行為 : 1. 優異的熱穩定性 : 可使用在高達 230 C(450 F) 2. 勁度與強度 : 其彈性模數介於 10 與 24 GPa( 與 psi), 而抗拉強度則在 125 至 255 MPa(18,000 至 37,000 psi) 3. 高衝擊強度, 且可維持至相當低的溫度 4. 對於許多酸 溶劑與漂白劑具有化學穩定性 5. 本質上具有防火性, 其燃燒後的產物大致上不具毒性 第十三章材料的種類與應用 96

97 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 這種材料的高熱穩定性與化學穩定性是由於分子間的交互作用力非常大 下列為其處理與製造特性 : 1. 可以採用所有傳統熱塑性高分子的製程 2. 模製時產生的收縮與翹曲極低 3. 不同零件間的尺寸重複性極高 4. 低熔融黏滯性, 故可模製薄斷面 複雜形狀的產品 5. 低熔解熱, 故可急速熔融與急冷, 降低模製循環的時間 6. 成品的性質具有異向性 ; 模製時的溶液流動產生分子指向的效應 第十三章材料的種類與應用 97

98 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 熱塑性彈性體 ( Thermoplastic Elastomers ) 熱塑性彈性體 (thermoplastic elastomers;tpes 或 TEs) 為一分子材料, 在室溫下具有彈性體 ( 或橡膠 ) 行為, 然而卻是熱塑性材料 (4.9 節 ) 在許許多多的應用上, 熱塑性彈性體已經取代熱固性彈性體 TPEs 的典型應用包括汽車外飾 ( 保險桿 儀表板等 ) 車蓋下元件( 電絕緣與連接器以及襯墊 ) 鞋底與鞋跟 運動器材 ( 如橄欖球與足球 ) 醫學阻絕膜與保護性鍍層以及密封劑 填隙與膠黏劑的組成 第十三章材料的種類與應用 98

99 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 圖 (a) 苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯 (S-B-S) 與 (b) 苯乙烯 - 異戊二烯 - 苯乙烯 (S-I-S) 熱塑性彈性體的分子鏈化學示意圖 第十三章材料的種類與應用 99

100 13.16 先進高分子材料 (Advanced Polymeric Materials) 圖 熱塑性彈性體的分子結構示意圖 結構中包含鏈中央為軟的單體單元片段 ( 聚合丁二烯或異戊二烯 ) 與鏈末端的高硬度分子域 ( 苯乙烯 ), 高硬度分子域在室溫具有物理交聯的功能 第十三章材料的種類與應用 100

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