Transcript 機械應用之特殊材料
=== 第12章 機械應用之特殊材料 === 12-1 12-2 12-3 12-4 12-5 12-6 12-7 陶瓷材料 高分子材料 複合材料 電子材料 磁性材料 光電材料 其他材料 12-1 陶瓷材料 傳統上，陶瓷材料大多是以各種黏土為主 要原料，經過成型和高溫處理後，變成有 用的多晶材料。從總體上看，陶瓷材料是 硬而脆的高熔點材料，具有低的導電性和 導熱性、良好的化學穩定性和熱穩定性， 以及較高的壓縮強度等。所以，陶瓷材料 具有優異的耐磨性、耐熱性與良好的耐蝕 性，但脆性限制了陶瓷材料應用的領域， 此為未來的研究重點。 12-1 陶瓷材料 陶瓷材料的基本特性與金屬材料的特性有 很大的不同。這些特性上的差異起源於兩 種材料化學鍵的不同。金屬材料的化學鍵 大都是金屬鍵，金屬鍵是沒有方向性的， 因此金屬材料具有良好的塑性變形性能。 而陶瓷的化學鍵主要是離子鍵和共價鍵。 這種化學鍵有很強的方向性和很高的結合 能。 12-1 陶瓷材料 所以，陶瓷材料具有高硬度、高熔點、高 化學穩定性等特點。在日常生活中，常用 於製造電機與電子產品；在工業上，目前 的陶瓷汽缸即是很好的應用，如圖12-1 所 示。然而此種化學鍵使得陶瓷很難產生塑 性變形，脆性大且裂紋敏感性強。因此， 陶瓷的韌化已成為目前研究領域的核心之 一。 12-1 陶瓷材料 12-1 陶瓷材料 基本上，陶瓷材料可分為「結晶陶瓷」 與「非晶質陶瓷」（即玻璃）兩種， 另外近來發展出一種介於兩者之間的 「玻璃陶瓷」，即是原來是非晶質狀 態，加以適當控制使其產生結晶陶瓷 的特性。 12-1 陶瓷材料 結晶陶瓷依照所含成分，可分為「矽酸鹽陶瓷」、「非 矽酸鹽氧化物陶瓷」及「非氧化物陶瓷」等三類。 矽酸鹽陶瓷以二氧化矽（SiO2）為主要原料。二 氧化矽的結晶在室溫下稱之為α-石英（α-quartz）； 在一大氣壓力下及573 ℃時轉變成β-石英（βquartz）；在870℃時又轉變成β-鱗石英（βtridymite）；在1470℃時再變成β-白矽石（βcristobalite）；最後，在1713 ℃時熔化。 12-1 陶瓷材料 如表12-1所示，列出常用的矽酸鹽類陶瓷之成分。耐火 材料需在高溫下承受負荷，通常以耐火泥細粉黏結氧化 物顆粒，一般耐火磚含有20~25％的氣孔，以增進絕熱 性質。 12-1 陶瓷材料 如表12-2 所示，為常見的非矽酸鹽氧 化物陶瓷。表中列出屬於較尖端的精 密陶瓷（Fine ceramics），其雜質含 量約在1wt%以下。主要用於電子工業 上。 ZrO2是陶瓷中作為構造用材料的最佳 材料，具有變態韌化的特點，可取代 一些金屬材料的用途。 12-1 陶瓷材料 12-1 陶瓷材料 如表12-3 所示，列出常用的非氧化物陶瓷材 料。其中，碳化矽可做為爐子的加熱元件及當 作耐火材料；碳化物、氮化物、硼化物亦均可 作為耐火材料。 唯大部分的碳化物，例如：TiC、ZrC等都不能 抵抗氧化，所以，只能用於還原氣氛下的高溫 環境。SiC 則不會有這項缺點，在1500 ℃以 下，因為SiC 高溫氧化時會產生一層SiO2薄層 保護SiC 不被進一步氧化。另外，氮化物及硼 化物的熔點特別高，對氧化較不敏感。 12-1 陶瓷材料 12-1 陶瓷材料 最著名的非結晶陶瓷材料就是矽酸玻璃，它是 一種固相材料，冷卻後會硬化而具有剛性，但 並未產生結晶。 二氧化矽的結晶原子構造相當複雜，若以較快 速度冷卻時，就有可能使其來不及結晶而得到 非結晶材料。此種非結晶氧化矽稱為玻化矽氧 （Vitreous silica）或熔矽氧（Fused silica）、 熔石英（Fused quartz）等。如圖12-2 所示， 為比較二氧化矽之結晶與非結晶結構中，平面 上原子的排列情形。 12-1 陶瓷材料 12-1 陶瓷材料 從圖12-2 中可知，非結晶結構中只有短程規律 （Short-range ordering）即每一Si 4+與三個 O2- 連接，每一O2- 與兩個Si 4+連接，並無長程 規律。 熔矽氧具有極高的熔點，軟化溫度為1667℃且 膨脹係數很小（5.5x10-7/℃），所以，耐高溫 且耐熱衝擊（Thermal shock），可作為實驗 設備材料，唯成型不易。為了適用於各種用途， 通常會在二氧化矽中加入其他元素而形成所謂 的矽酸玻璃（Silicate glasses）。 12-1 陶瓷材料 玻璃陶瓷是將材料製成玻璃狀態，再經低溫熱 處理，使其產生大量的結晶核粒；再於稍高溫 處讓結晶核成長，最後，得到90%的結晶。其 結晶晶粒均勻細緻約0.1~1μm大小，殘留的玻 璃相填充於晶粒間且沒有孔隙。 一般玻璃在熔融狀態產生結晶時，容易在器壁 上產生少許的孕核點而長成相當大的晶體結構， 最後的微結構是粗大且不均勻的。 12-1 陶瓷材料 而玻璃陶瓷不同於此，它是加入幾個百分比的 孕核劑，如TiO2、P2O5等，此種微細的孕核劑 粒子密度可達1012個/mm3，可達到大量孕核之 目的，得到均勻細緻的晶粒組織。 玻璃陶瓷算是最複雜的陶瓷材料，它具有非晶 質與結晶陶瓷的本質。 12-1 陶瓷材料 玻璃陶瓷具有比傳統陶瓷更佳的機械強 度及更耐熱的衝擊能力，高強度是由於 其內部甚少有壓力集中的孔隙及微細均 勻的細晶微結構，而耐熱衝擊則在於其 膨脹係數相當低。 如表12-4 所示，列出組成玻璃氧化物的 熱膨脹係數。 12-1 陶瓷材料 12-2 高分子材料 高分子是指將分子量輕且低的液態有機物，經過 聚合反應形成高分子量的固體。高分子材料又稱 為聚合物（Polymers），包括各種不同的材料， 例如：塑膠、橡膠及膠黏物等皆是。 高分子材料為巨型的有機物，分子量從10,000 到大於1,000,000 g/mole不等。高分子材料是由 許多小分子集合成大分子，大分子內部之小分子 是以共價鍵為主要鍵結進行連接，而大分子與大 分子間，則是以凡德瓦爾力之類的次鍵結加以連 接。高分子材料中的大分子主要是以碳為主，為 一種有機材料，其主要來源為將石油化學工業中 的副產物加以合成。 12-2 高分子材料 高分子材料很容易因外力作用而變形，常 常被做成塊狀、板狀、薄膜狀、管狀及纖 維狀等的產品，也可藉由填充物的加入而 改變高分子材料的性質（衝擊強度、疲勞 性能、強硬度及耐熱耐蝕性等）。 常見的產品，例如：文具、玩具、家電器 具、塗料、汽車外殼、輪胎，用途非常廣 泛。 12-2 高分子材料 高分子材料是由很多的單體分子聚集在一起， 聚化反應是利用適當的化學反應將單體分子 結合形成長鏈狀分子，以變成聚合物或高分 子材料。 聚化反應可分為「聚合反應」及「縮合反應」 兩種。 12-2 高分子材料 圖12-3 為聚合反應的化學作用過程及其結 果。由圖中可知，當單體的分子接受適當的 溫度、壓力及觸媒的作用時，具有未飽和鏈 的單體們會互相結合而形成長鏈分子。 此種由小分子形成大分子的現象稱為聚合作 用（Polymerization），單體產生聚合作用 後的生成物即稱為聚合物，例如乙烯起聚合 作用即生成聚乙烯（PE），氯乙烯則生成 聚氯乙烯（PVC）。 12-2 高分子材料 12-2 高分子材料 聚合作用又稱為鏈狀生長（Chain growth）， 其反應的動力來自單體中的碳與碳之間的一個 雙鏈變成兩個單鏈且彼此連接在一起。 經過聚合反應後，主鏈分子變大，分子量也相 對變大，硬度與強度皆相對提高。例如：乙烯 （C2H2）是一種氣體，乙烯分子被稱為單體。 經聚合反應後，形成固體的烷類或烯類 （CnH2n + 2）。若加入氯分子時，將得到較大 的凡德瓦爾力鍵或氫鍵，加入硫則可得到共價 鍵，此二反應將使得材料的硬度更為提高。 12-2 高分子材料 縮合反應又稱為逐步成長（Step-growth）， 其原理係當兩反應物混合後，其生成物都具 有二個作用基，可繼續將反應物加入，且其 生成物亦可繼續加入反應。 最後，終將形成巨大分子，如圖12-4 所示， 將對苯二甲酸雙甲酯與乙二醇混合，則乙二 醇的OH 與對苯酸脂的CH3組成甲醇，其餘的 變成了對苯二甲酸乙二酯的較大分子。 12-2 高分子材料 12-2 高分子材料 經過縮合反應後，將生成聚合物及副產 品。由於對苯二甲酸雙甲酯與乙二醇及 其生成物都具有二個作用基，所以，反 應物可以繼續加入，或者生成物也可繼 續加入反應，而形成一個巨大分子，稱 之為達克龍（Dacron）。 基本上，縮合反應的速度比聚合反應慢， 而且不會有終結階段，反應時間再久一 點時，則其分子就愈大。縮合反應的副 產品通常為一些簡單的小分子，如 H2O2、HCl 等。 12-2 高分子材料 熱塑性高分子材料（Thermoplastic polymers）在 加熱時，因大分子只靠次鍵結（凡得瓦力鍵結）來 結合，所以分子彼此間容易互相滑動而變形。 與金屬相比，高分子材料的耐熱溫度約為100℃左 右，當溫度超過100℃後，即有很明顯的塑性流動 現象，這是金屬鍵與次鍵結強度差異的緣故。 12-2 高分子材料 熱塑性的高分子材料一經加熱後，即可重新軟化 再成型，其重要的類別，例如：纖維素 （Cellulose）、壓克力（Acrylic）、氯乙烯 （Vinyl ethylene）、聚乙烯（Polyethylene）、 聚丙烯（Polypropylene）、聚苯乙烯 （Styrene）、聚醯胺（Polyamide）或尼龍 （Nylon）及縮醛（Acetal）等，如圖12-5 所示，為壓克力與聚丙烯的成品。 12-2 高分子材料 12-2 高分子材料 12-2 高分子材料 熱固性（Thermosetting）高分子材料加熱 時，不但不會軟化反而變硬且剛性更強。其 原因為熱固性高分子材料是一種立體網狀的 分子結構，高溫時將促使網狀結構更加緊密， 冷卻時網狀結構依然存在，所以，剛性仍大。 如表12-5 所示，為熱固性與熱塑性高分子 材料之結構示意圖。熱塑性高分子材料是結 合小分子在一起而產生長鏈型聚合物；熱固 性高分子間是以交聯的方式形成三維網狀結 構的長鏈型分子。 12-2 高分子材料 12-2 高分子材料 由於此類材料的網狀結構具有較大的強度， 所以常用來製造機械零件，常可取代金屬， 使用於一些受力較小的地方。常見的熱固性 高分子材料，例如：尿素樹脂（Urearesin）、三聚氰胺（Melamine）、環氧樹 脂、酚類塑膠（Phenolics）、聚酯 （Polyesters）、矽酯類塑膠（Silicones） 及強化塑膠（Reinforcing plastics）等，如 圖12-6 所示，為環氧樹脂與強化塑膠的成 品例。 12-2 高分子材料 12-2 高分子材料 彈性（橡膠）高分子材料是指一些天然或 人造的線性聚合物。當受力時會產生大量 的彈性變形；力量去除後，又完全恢復到 原來的形狀。 這類的彈性體，由於其長鏈的排列很有規 則，使得大分子形成捲曲狀態。在理想狀 態下受力時，捲曲大分子鏈被拉直而使得 彈性體伸展變形，此時，分子間可排列成 較規則狀態，即能量較低；力量放開時， 分子鏈又恢復較高能量的捲曲狀態。 12-2 高分子材料 日常生活所使用的器具中，有愈來愈多的橡膠製品 產生，這些製品所用的橡膠可分為天然橡膠及人造 橡膠二大類。 天然橡膠是由熱帶地方所產橡樹的乳液製成。從橡 樹採取的乳液，添加醋酸或蟻酸使其凝固者，稱為 生橡膠（Raw rubber），生橡膠的用途很少，一 般都經硫化處理後使用之。 12-2 高分子材料 所謂硫化處理（Vulcanization）乃是在生橡膠中加 入硫磺等混合均勻後壓入模內，在100~150℃加熱 而成形之操作。如果橡膠內的含硫量在15%以下， 可以獲得柔軟而富彈性的製品，稱為軟橡膠，常見 的製品有汽車內外胎、橡膠管、雨衣、襯墊及橡皮 擦等。若橡膠內的含硫量超過30%以上並維持長時 間加熱，可得到延性甚低的製品，稱為硬橡膠 （Ebonite）。硬橡膠能耐酸鹼侵蝕，電絕緣性及加 工性優良，製品有梳子、牙科材料、鋼筆軸、電絕 緣零件及耐化學性膠管等。 天然橡膠在65℃左右即失去彈性，且耐油性不良， 同時，加硫橡膠於使用一段時間後會發生硬化現象。 12-2 高分子材料 人造橡膠即為合成橡膠，與塑膠的製法相似， 是有機高分子聚合物，主要的合成橡膠有丁 二烯橡膠、壓克力橡膠、乙烯橡膠等。無論 是天然或人造橡膠常加入適量的碳煙粉 （Carbon black）作為強化填充劑。 由各種不同的單體所聚合而成的合成橡膠是 石化原料，用二烯烴和烯烴為單體聚合而成 的高分子，其性能不如天然橡膠全面，但具 有高彈性、絕緣性、氣密性、耐油、耐高溫 或低溫等性能。 12-2 高分子材料 常見的製品有橡膠管、墊圈、皮帶、橡皮緩衝器、 印刷機滾筒、氣體導管及電絕緣體等，其中輪胎是 以天然橡膠及合成橡膠為原料，取天然橡膠的彈性 與抓地力等優點，再取合成橡膠的耐用特性而成， 如圖12-7 所示。 12-3 複合材料 複合材料是由兩種或兩種以上不同原料 合成的獨特物料，複合材料的品質比原 來的兩種原料更優秀，例如：更堅韌、 更牢固、更耐用等。 現代的科技已可依需求製造出非磁性、 抗腐蝕性、不同部位有不同強度，以及 不會被雷達探測到的複合材料。 12-3 複合材料 雖然有很多人工合成的物料（例如：合金） 都是由兩種或兩種以上原料合成的，但由於 它們是由原料的分子經混合及被重新排列形 成的新結構（混合後兩種原料的分子無法再 被分開），因此不能被歸類為複合材料。 複合材料中各原料的分子並無被混合或重新 排列，通常原料之間形成不同的界面，我們 能以肉眼分辨出複合材料內的各種原料。 12-3 複合材料 最常見的複合材料是纖維複合物。它們是由埋 藏在基材的纖維組成，基材中的纖維能增加基 材的強度，如圖12-8 所示。 12-3 複合材料 複合材料所使用的強化材料主要有粉體、 粒子、纖維、薄片、帶子、織布等。由於 纖維的尺寸較小且缺陷較少，所以，相對 的強度比較強。 再者，纖維形狀細長容易撓曲，而且大部 分纖維都具有很高的強度及較低的比重， 所以，纖維是最常用來作為複合材料的強 化材。 12-3 複合材料 粒子形狀的強化材，小者如微米以下，大者如 砂石都是屬於此一領域。 此種強化材料所構成的材料稱為粒子複合材。 12-3 複合材料 玻璃纖維是由組成玻璃的物質經過高溫 熔化與冷卻後拉伸成型而成，其粗細僅 約人類頭髮的十分之一左右。 由於其本身為玻璃，具有耐高溫不腐蝕、 不燃燒等特性。 且其軟化點約在840℃左右，具有高強 度、尺寸安定、低熱膨脹係數及疏水性 等，故被大量的使用於複合材料上。 12-3 複合材料 實際上，在工業產品中，用於製造碳 纖維者為瀝青與聚丙烯，主要原因是 所得產品的性能最好，可用於航空工 業、運動器材、土木建築及電池等方 面，如圖12-9 所示，用途極為廣泛。 12-3 複合材料 12-3 複合材料 氧化鋁纖維是以陶瓷材料（Al2O3）為主要 原料所製成的無機纖維。 氧化鋁的熔點為2050℃，先製成紡絲液後， 再紡成絲，此種絲在空氣中以1000℃溫度 加熱製成。氧化鋁纖維具有耐熱性高、化 學安定性佳、高彈性模數、耐衝擊性佳、 耐磨耗性好、為電的絕緣體、低磁化率、 無色透光性等特性，故可應用於各種複合 材料的製造。例如：吸音棉（如圖 12-10 所示）、耐火纖維紙品、耐火纖板、 電阻絲組件等。 12-3 複合材料 12-3 複合材料 金屬纖維具有剛性高、耐熱性佳、 導電性佳、機械強度大等特性。 屬於此種纖維者計有銅纖維、不鏽 鋼纖維、鎢纖維、鋇纖維、鉬纖維 等。 金屬纖維廣用於各種產業中，如耐 熱性的消防衣服（如圖12-11 所示）、 防導電纖維及超耐熱合金強化用纖 維等。 12-3 複合材料 基材是複合材料中的主要組成，主要的基材種類 有橡膠、塑膠、金屬、陶瓷、混凝土、瀝青，用 來生產複合材料的基材多是聚合物，這是因為它 們質輕、生產成本低、易於處理及塑造。 由於熱固性聚合物（例如環氧樹脂）的流動性低， 故很適合用作基材的原料。有時我們會使用金屬 作為基材，例如鋁。由於鋁比同一體積的其他金 屬輕，因此最常被用作基材。 12-3 複合材料 人工製成的複合材料其實是以天然物料 為模仿對象，例如：木材。木材是由木 質素與纖維素組合而成的。這種複合材 料稱為天然複合物。 人工生產的複合材料可分為聚合物基複 合材料、金屬基複合材料及陶瓷基複合 材料等。它們分別是以聚合物、金屬和 陶瓷為基材，再加入強化材而成。 12-3 複合材料 聚合物基複合材料（Polymer Matrix Composites；PMCs）又名纖維強化聚 合材料，是最常見的複合材料。它的結 構是以一些聚合樹脂為基材，加入不同 的纖維，例如：碳和玻璃等，加以強化。 玻璃纖維是最先成功研製的現代複合材 料，它是一種聚合物基複合材料，廣泛 應用於船身支架、儲存桶、喉管及汽車 配件等。 12-3 複合材料 金屬基複合材料（Metal Matrix Composites；MMCs）以金屬（例如： 鋁）作為基材，並以碳化矽作為強化 纖維。 它們在汽車工業上的應用率愈來愈高， 例如：密封墊片、油箱內襯等。 12-3 複合材料 陶瓷基複合材料（Ceramic Matrix Composites；CMCs）以陶瓷作為基材， 並以一些由碳化物或氮化硼製成的鬚狀物 作為強化纖維。 它們被應用於高溫的作業環境中，例如： 鍋爐燃料管、熱交換器管等。 12-3 複合材料 建築房子時，技術人員會把鋼筋折成固定 形狀後，再依序把它們組合起來。 之後，水泥攪拌車把混凝土灌注入組合的 鋼筋空間內，即完成局部的建築工程。在 這例子中，水泥是基材，碎沙石與鋼筋是 強化材，鋼筋提供抗拉強度，混凝土提供 抗壓強度，是典型的複合材料製造例子， 如圖12-12 所示。 12-3 複合材料 12-3 複合材料 複合材料中，把基材與強化材結合起來的材料 稱為結合材或黏結劑。黏結劑是一種重要的高 分子材料。人類在很久以前就懂得使用澱粉、 橡膠等天然的高分子材料作為黏結劑。 現代的黏結劑依其使用方式可分為熱固性如環 氧樹脂；熱塑性如尼龍、聚乙烯等；加壓型如 天然橡膠；水溶型如澱粉。 12-3 複合材料 環氧樹脂為熱固性樹脂，當主劑與硬化劑 以一定比例適當混合並聚合硬化後，形成 了三度空間的網狀結構，給予產品特殊的 物理性質、機械性質及化學性質等。 如圖12-13 所示，為環氧樹脂的黏度與溫 度的關係。由圖中可知，當溫度高至75℃ 左右時，環氧樹脂的黏度將呈現漸趨穩定 的現象，大約為75CPS。 12-3 複合材料 環氧樹脂的用途很廣，若作為黏結劑則可用於金屬、 木材、膠合玻璃、陶瓷、塑膠等的強力接著；亦可 用於修補、填縫等工作，是最主要的黏結劑。 12-3 複合材料 尼龍是結晶性聚合物，醯胺基團之間存在 牢固的氫鍵，因而具有良好的力學性能。 與金屬材料相比，雖然剛性遜於金屬，但 比抗拉強度則是高於金屬，比抗壓強度與 金屬相近，因此可作為代替金屬的材料。 尼龍具有高抗拉強度、耐衝擊能力極佳、 吸水性高、耐藥品性佳等特點，極適合作 為基材與強化材之結合材。 12-3 複合材料 天然橡膠的分子量約為300,000，為質軟且彈 性不大的材料，加硫（約8%）後，較富彈性 稱為加硫橡膠。其主要用途為製造汽車內外胎、 雨衣雨鞋、地磚、橡皮管及黏結劑等。 12-3 複合材料 用於複合材料的橡膠可分為兩種，第一是加硫 橡膠，第二是不加硫橡膠。 不加硫橡膠在使用上常加入熱塑性樹脂以增加 複合材料結合後的耐衝擊性；而加硫橡膠可配 合其他添加劑，提高複合材料結合後的強硬度， 防止老化、軟化度、黏著能力等性能。 12-4 電子材料 自然界的物質依照導電程度的難易，可大 略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。 半導體的導電性介於容易導電的金屬導體 和不易導電的絕緣體之間。 在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一 小部分的原子與原子間的共價鍵打斷，而 釋放出自由電子並同時產生一電洞。 因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載 子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導 體具有一定程度的導電性。如圖12-4 所示， 為半導體的應用。 12-4 電子材料 12-4 電子材料 目前構成半導體材料的主要元素是以週期表上第四族 的單一元素如： 碳、矽、鍺等所形成的材料，未摻入其他雜質者，稱 為本質半導體，如表12-6 所示。 12-4 電子材料 12-4 電子材料 電子在本質半導體內的能階狀況，可用圖12-15 來加以說明。在高能量的傳導帶內（Ec以上）， 電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這 一傳導帶內。 最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被共價鍵束 縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一 價帶內。傳導帶和價帶之間是一沒有能階存在的 「禁止能帶」（或稱能隙Eg），在沒有雜質介入 的情況下，電子是不能存在能隙裡的。 12-4 電子材料 在絕對溫度為零度時，一切熱能活動完全停 止，原子間的共價鍵完整無損，所有電子都 被共價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有 電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完 全被價電子佔滿，而傳導帶則完全空著。 價電子欲脫離共價鍵的束縛而成為自由電子， 必須克服能隙Eg，提升自己的能量進入傳 導帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。 12-4 電子材料 12-4 電子材料 以矽半導體為例，能隙Eg為1.1eV，其中1 電子伏（eV）的定義為當一個電子被1 伏 特的電位差加速時所得到的動能。在室溫 下，當熱能打斷共價鍵而釋放出電子的同 時，必然留下一帶正電荷的電洞在價帶上。 溫度越高，被熱能釋放出來的電子和電洞 的數量也越多。 因此，本質半導體的導電性遂因溫度的升 高而增大。應用在科技產業上的半導體其 能隙< 4eV，如圖12-16所示。由圖所見， 能隙會隨著溫度的升高而減少。 12-4 電子材料 12-4 電子材料 當半導體材料摻入雜質後，稱之為異質半導體。 此類半導體可分為n 型與p 型兩種型式。 我們再以矽半導體為例，來探討雜質的摻 入對於半導體導電性的影響。矽是一種四 價元素。如果我們將五價元素，如最常用 的磷（P）或砷（As）等摻入矽晶體內， 使其取代某些矽原子，則該五價元素會多 出一個電子，此電子在矽晶結構內受到的 束縛力非常薄弱，在室溫時即已絕大部分 游離而成自由電子。 12-4 電子材料 這類五價元素摻雜在矽晶內因為可提供較多 的自由電子，所以稱為施體（Donor），其 能階ED非常靠近傳導帶，如圖12-17 所示。 在導體中，自由電子佔大多數，故稱為多數 載子，當電子受激發後，自Donor state 跳到 傳導帶，並在Donor state 留下電洞，這種半 導體稱為n 型半導體。一般n型半導體內的電 子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主 要載子。 12-4 電子材料 12-4 電子材料 同理，我們如將三價元素，如硼（B）等摻入 四價的矽晶體內，則在其取代某些矽原子的 位置後，因為少了一個價電子，所以會從別 處接受一個額外電子，此電子受激發後，自 價帶跳到受體而形成四個電子圍繞在硼原子 外的共價鍵，並在價帶留下電洞。 這類三價元素，稱為受體（Accepter），如圖 12-18 所示，接受一個額外電子後的受體離子 帶負電。這種半導體稱為p型半導體，其費米 能階EA比較靠近價帶。p 型半導體內的電洞數 量遠比電子為多，是電流傳導的主要載子。 12-4 電子材料 12-5 磁性材料 地球本身就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地球 的南極附近，而S 極則在地球的北極附近。如 果把一塊長條狀的磁鐵用細線從中間懸掛起來， 讓它自由轉動，那麼，一段時間以後，磁鐵的N 極就會和地球的S 極互相吸引，磁鐵的S極和地 球的N極互相吸引。所以，磁鐵的N極方向即為 地球的S極。 何謂磁性？簡單地說，磁性是物質放在不均勻 的磁場中受到磁力作用所產生的特性。在相同 的不均勻磁場中，依單位質量物質所受到的磁 力方向與強度，可確定物質磁性的強弱。 12-5 磁性材料 一般來說，物質的磁性可以分為弱磁性與強 磁性，再依據磁性的不同特點，弱磁性又可 分為反磁性、順磁性與反鐵磁性等，而強磁 性又可分為鐵磁性與亞鐵磁性。這些都是物 質的原子中電子產生的磁性。 然而，原子中原子核亦具有磁性稱為核磁性， 惟核磁性約為電子磁性的千分之一或更低， 故一般講物質的磁性主要是指電子磁性。原 子核的磁性很低是由於原子核的質量 遠高於電子質量之故。原子核磁性有其重要 的應用，例如：醫學上所使用的核磁共振成 像原理便是利用氫原子核的磁性所達成的。 12-5 磁性材料 在元素週期表的元素中，Fe、Co、Ni 及 稀土族Gd 元素皆屬於鐵磁性材料，在室 溫時都具有鐵磁性現象。 Fe、Co、Ni 這三個元素和稀土族元素互 相結合，或與其他不具鐵磁性表現的元素 互相結合，就可以做成各種不同特性的磁 性材料。 12-5 磁性材料 鐵鎳合金具有很大的透磁率，很容易形成軟 磁體。例如：電腦磁碟機上的讀寫頭即為此 類合金的應用。 當磁頭下的磁碟旋轉時，一股電流使磁頭產 生磁場。磁頭上的磁場會依序磁化部分的磁 碟，如圖12-19 所示。磁頭上的磁場方向會 決定嵌於磁碟上的磁性顆粒的方向，因而得 以儲存資訊。儲存後的資訊可藉由磁頭下再 次旋轉磁碟來取回。 12-5 磁性材料 12-5 磁性材料 矽鐵係在鐵中加入3~5%矽所成的合金，經適 當的製程後，在電氣應用上極為有用，如馬 達及發電機。 複合材料可用來降低渦電流的損失。例如 以矽鐵薄片與介電材料以板層互疊的方式 製成複合磁體，互疊至所需的厚度。此種 層狀組織可以增加阻抗，在中低頻率下， 可以得到很好的效率。 12-5 磁性材料 在凝固期間以很快的冷速產生的非晶質 金屬玻璃，例如：鐵硼合金即屬之。金 屬玻璃是以薄帶的方式生產，然後層層 堆積成較大的磁體。 這些磁體具有如軟磁體般的透磁率。全 無晶界的現象使得磁區非常容易移動， 因此在高電阻下，其渦電流損失也可達 到極小。 12-5 磁性材料 錄音磁帶或錄影磁帶，如圖12-20 所示，乃是利用 蒸汽沉積、噴濺或電鍍的方式，使一種磁性材料 （如Fe2O3 顆粒）黏於膠帶上而成。 12-5 磁性材料 陶屬磁體主要的基本元素有磁鐵礦及石榴 石兩種。磁鐵礦加入鎂、錳或鈷後，可用 於計算機上。石榴石中加入釔或鎵後，可 形成細小磁區，可用於電腦的儲存單元， 這些磁區一旦被磁化後，即使瞬間停電下 仍不致遺失它們的記憶。 12-5 磁性材料 磁性材料的種類很多，用途也十分廣泛，而 一般使用最多的是具有強磁性的材料，包括 具有鐵磁性與非鐵磁性的材料，此等材料常 稱為磁性材料。 商業上最重要的金屬磁體常指強磁性的鐵磁 性材料而言。 12-5 磁性材料 磁體一般分有天然磁體及人造磁體兩種， 而磁體中能夠長期保持磁性者稱為永久 磁體，天然磁體與人造磁體都屬於永久 磁體。 若使原來不具磁性的物體得到磁性者稱 之為磁化；相反地，使磁體磁性消失者 稱之為去磁。 12-5 磁性材料 鐵磁性材料在工程技術上應用很廣， 不同的磁性材料導磁性能各不 相同。一種磁性材料是否適合於某 種用途，工程上常常是依據它的磁 滯曲線來決定。 根據磁滯曲線的不同，可以將鐵磁 性材料區分為軟磁材料及硬磁材料， 磁滯現象可說明如下： 12-5 磁性材料 如圖12-21 所示，為磁滯曲線的實驗曲線 圖。圖12-21 中B 軸為磁感應強度，H軸為 磁場強度。 在開始時，材料的磁感應強度B會隨磁場 強度H的增加而增加（如1曲線所示），當 H達到一定的強度後，B 不再隨H 的增強 而增加，這時磁化已達飽和（a 點處）， 磁感應的飽和值為Bs。 12-5 磁性材料 飽和之後，若使H 減少，則B 值亦隨之減小， 但不會沿原來1曲線下降，而是沿著2曲線下 降。此時，對應的B值比原先的值為大，說明 了鐵磁性材料磁化過程為不可逆過程。 當H降至零時，磁感應強度並不等於零而是保 留了一定的大小Br，這就是鐵磁質的剩磁現 象。要使B繼續減小，必須通入反向電流及反 向磁場。 12-5 磁性材料 當H 等於某一定值Hc時（c 點處），B 值為零， 這個Hc 值稱為矯頑力。矯頑力的大小反映了 鐵磁性材料保持剩磁狀態的能力。 如果再增強反方向的磁場，又可達到反方向 的飽和狀態（d 點）。之後，再逐漸減小反方 向的磁場至e 點，此時，再改變電流方向及引 入正向磁場，則將延3曲線上升而形成了圖中 的閉合曲線。 由曲線圖可知，磁感應強度B值的變化總是落 後磁場強度H的變化，這種現象稱為磁滯，是 鐵磁質材料的重要特性之一。 12-5 磁性材料 12-5 磁性材料 軟磁材料的特點為磁導率大，矯頑力小 （Hc < 100 安／米），磁滯損耗低，它 的磁滯曲線呈細長條形狀，如圖12-22 所示。 這種材料容易磁化，也容易退磁，適用 於交變磁場，可用來製造變壓器、繼電 器、電磁鐵、電機零件及小型直流電動 機中的轉子等。 12-5 磁性材料 12-5 磁性材料 碳鋼、合金鋼等材料一經磁化之後，其磁 性不易消失，這種材料稱為硬磁性材料， 永久磁鐵即為硬磁性材料典型代表。硬磁 材料的特點為矯頑力比軟磁材料大，其Hc > 100 安／米，剩磁Br 也較大。 這種材料的磁滯曲線包圍的面積較大，磁 滯特性較顯著，因此，硬磁材料於磁化後， 仍能保留很強的剩磁，並且其剩磁不易消 失。這種硬磁材料適合製造磁電式電表、 永磁揚聲器、耳機、小型無刷馬達中的定 子（如圖12-23所示）及雷達中的磁控管 等所需的永久磁鐵。 12-5 磁性材料 12-5 磁性材料 簡單的說陶瓷磁體就是具有磁性的陶瓷。有磁 性的物質很多，但是陶瓷磁體具有強大的磁場、 極高的電阻係數及極低損耗等特性，而且其磁 性可隨著陶瓷成分而改變，故可針對不同的需 求而設計出不同性質的陶瓷磁體。 因此，陶瓷磁體正大量的被用來製造電感或變 壓器的磁芯、磁性記憶材料、各種微波元件與 揚聲器及馬達等，前景十分看好。 12-5 磁性材料 鐵氧磁體是主要的陶瓷磁性材料，其成分 全為氧化物，以Fe2O3為主要的成分，具 有自發性的磁化效應。鐵氧磁體可以加入 不同的過渡金屬氧化物而形成具有高保磁 力的硬磁鐵，或低保磁力的軟磁鐵。 當一陶瓷磁體材料受到外加磁場的作用時， 材料內部結晶顆粒會產生極強的飽和磁化 量，且其方向與外加磁場一致，此種材料 稱為鐵磁性陶瓷。 若解除外加磁場時，陶瓷本身的磁矩的方 向將隨外加磁場的方向改變而改變。 12-5 磁性材料 傳統商業化的陶瓷磁體是陶磁性的材料。 在高頻率的產品使用上經常會有渦電流所 造成的損耗，沒有一種金屬合金足以防止 渦電流損耗。現今可利用陶瓷磁體的高電 阻值加以改善。 陶瓷磁性材料最常見的應用有錄音帶、錄 影帶及磁片上的磁粉鍍層。塊狀的磁性陶 瓷材料則應用於馬達、發電機、磁頭、電 感及變壓器的電子裝置等。 12-6 光電材料 光電材料的種類依其應用，主要可分為介電材料、 液晶材料、光纖材料、透明材料與發光材料等，茲 簡介如下： 介電材料（Dielectricmaterial）：具有很高的電阻 係數，是一種絕緣體不會導電，許多（不是全部） 陶瓷和聚合物屬於這類材料，可作為絕緣體與電容 器材料。介電材料主要功能為充當電容器兩導板間 的絕緣材料。介電材料受電場作用時，其電子和原 子核內所含的質子與電子將離開正常位置產生極化， 可阻隔電子由一導板通過它到另一導板，並使電能 儲存在介電材料內，如圖12-24 所示。 12-6 光電材料 12-6 光電材料 所謂極化係當介電材料受電場作用時，介電材 料內產生不平衡電荷的原子或原子團，結果材 料內的電荷立即重新分布。為衡量各種材料對 於建立電場之能力，乃定義介電常數 （Dielectric Constant），以符號εr表示。在施 加電壓後，理想的介電材料將立刻產生電荷與 極化，提高材料的介電常數。 所以，介電常數與電容成正比。真空之介電常 數ε0 為1，其他材料之介電常數乃是與ε0 之比值。 在可變電容器中，陶瓷（Ceramic）及雲母 （Mica）為最常用的介電材料，陶瓷的介電常 數大於1200 屬於高介電常數材料，如圖12-25 所示。 12-6 光電材料 12-6 光電材料 液晶材料（Liquid crystal）為一半透明之物 質，液晶的組成物質是一種有機化合物，也 就是以碳為中心所構成的化合物。在有機化 合物中，約數百種的有機化合物中就有一種 具液晶的特性。 在物質的三態中，液晶是介於固態和液態之 間，同時具有固體物質的晶體順序性與液體 物質的流動性，故也稱為中間相物質。 12-6 光電材料 液晶分子容易受外力作用而流動，且具有類似 單軸晶體的異向特性，也就是材料的光折射率、 介電常數、磁化率及黏度等特性會隨著 外來刺激方向的不同而有所差異。 因此，在許多應用上，均是利用液晶分子受外 界刺激後，分子的配列發生變化，使其光學或 電氣特性也跟著變化，常應用於顯示器、光電 元件及感測器等元件上。如圖12-26 所示為液 晶介於固態和液態之間的示意圖。 12-6 光電材料 12-6 光電材料 液晶顯示器（LCD）結構中，上下玻璃板間的 半透明介電材料即為液晶材料，功能類似光閘 開關。 其原理是利用上下電極通電後，電場產生變化 使得液晶分子因介電異方向性與導電異方向性 而出現旋光性，如圖12-27 所示。 光線因液晶長軸與短軸折射率不同而產生不同 之穿透度，再配合配向膜與偏光板之作用，即 可產生光線開與關（ON-OFF）之變化。 12-6 光電材料 12-6 光電材料 目前應用於LCD的液晶材料依其分子排列 順序性，一般可分成向列型（Nematic）、 層列型（Smectic）及膽固醇型 （Cholesteric）液晶三大項，如圖12-28 所示。 目前最廣泛應用的是向列型的液晶材料。 12-6 光電材料 12-6 光電材料 一般而言，單一液晶材料無法達到 LCD之低電壓驅動、高速化等要求， 故液晶材料配方中常需混合10~20 種 的不同液晶材料，才可達到熱安定性、 光安定性等物性及顯示器之特性要求。 12-6 光電材料 「光纖」就是能輸送光線的纖維。它與輸送 自來水的水管以及輸送瓦斯的瓦斯管一樣， 只是管子的粗細小了許多，管徑的大小大約 只有萬分之一公尺，只比頭髮稍粗。 「光纖」的主要功用就是傳輸「光波」，因 為「光波」在空氣中傳送都是沿直線進行， 很容易被障礙物阻擋，所以需要「光纖」來 幫忙輸送。 12-6 光電材料 「光纖」是根據「全反射」的原理來傳輸 「光波」，而在「全反射」的狀況下，整條 「光纖」的內壁就像一條周圍都是鏡子的管 線，一旦光線進入這條管子，它再也跑不出 來，只有乖乖地從進口的這一端跑到出口的 那一端，就完成了「光波」的傳輸。 12-6 光電材料 一旦「光波」進入「光纖」，或多或少的 還是會從「光纖」內部漏出來，品質較好 者，漏出的光量會較少；塑膠做的光纖， 價格較低廉，可用在照明設備上，但相對 地漏光量也較大。 玻璃光纖漏光量極小，可使用在需要傳真 度較高的訊號傳輸，例如有線電視、光纖 網路等應用上。 12-6 光電材料 光在傳播之時，若經兩個不同「介質」的 介面，由於介質傳遞光的速度不同，就會 產生「折射」，猶如插入水中的筷子折斷 一般。 當光從傳遞速度慢的介質到傳遞速度快的 介質時，會有一部分「折射」，一部分 「反射」，到了某一角度時會沒有「折 射」，此時稱之為「全反射」。 12-6 光電材料 舉個例子來說，將手電筒放在注滿水之水 桶中（水桶愈大愈好）往上照，此時大部 分的光都會照出來，然後我們慢慢地將手 電筒傾斜下來，就可以看到「反射」的光 愈來愈多，「折射」的光愈來愈少，一直 傾斜至某一角度時，可以看見水桶底下都 是光，而上面卻沒有光透出來，這就是全 反射現象。 12-6 光電材料 光在水中傳遞的速度要比在空氣中傳遞的 速度慢，故光從水中傳遞至空氣中時，便 會有「全反射」現象。 在這裡我們要介紹一個光纖上常用的專有 名詞－「折射率（Refractive Index）」， 即光在真空中（如太空）傳遞的速度與光 在介質中傳遞速度的比值稱之為該介質的 「折射率」。 12-6 光電材料 換言之，光從「折射率」大的介質到「折射 率」小的介質，會產生「全反射」現象。 玻璃的「折射率」比空氣的「折射率」大， 因此光從玻璃到空氣也會有「全反射」的現 象。 「光纖」中可隨著玻璃纖維的方向而改變， 如圖12-29 所示，如此一來光就不會外洩。 又光在「光纖」中可隨著玻璃纖維的方向而 改變，就有如電纜上的電一樣。 12-6 光電材料 12-6 光電材料 光纖的結構為圓形且細如髮絲之玻璃纖維， 如圖12-30 所示，主要分為三部分，裡層 稱「核心（Core）」，通常以玻璃做成； 核心的外層稱為「纖殼（Clad）」，最外 層為防止化學腐蝕的包覆層。 因為「光纖」是屬於介質波之一種，故只 要條件許可，也可使用特殊的塑膠材料或 液體材料。 12-6 光電材料 由於「光纖」的「核心」直徑只有數個「微 米」（百萬分之一米）至數十「微米」，而 「纖殼」的直徑也僅在一百至兩百「微米」 之間，其本身相當脆弱。 因此，在一般應用中，會於外層再鍍上一層 塑膠，並再加一層尼龍，以免受到外界化學 物質的侵蝕。 12-6 光電材料 「光纖」除應用在大量資訊傳輸之外，一 般最常用的則是影像傳送，例如：工程師 可在安全距離檢查核能電廠的輻射區， 「光纖」也可以直接檢查機械內部看不到 的部分。另外，「光纖」在醫學上的應用 也很多。 例如：內視鏡，它是一根柔軟可彎曲且內 含數條「光纖」的管子，當它滑入病人的 嘴、鼻、消化道及其他如心臟等由體外看 不到的地方時，醫生便能由內視鏡看到內 部變化，而減少進行冒險性手術的需要。 12-6 光電材料 12-6 光電材料 不同材料的光纖，具有不同傳輸特性，如固有損 失、光波色散現象和折射率等。除了品質較好且 價格較貴之石英玻璃光纖以外，還有多成 分的玻璃纖維、塑膠纖維以及紅外線纖維等光纖 材料。主要光纖材料分類，如圖12-31 所示。 12-6 光電材料 透明材料主要作用為當光線穿過時，能 形成清晰鮮明之影像，並希望具有再現 性與穩定性。 因此，一般透明材料應具備以下基本特 性：高度的透明性、大的折射率、低的 色散特性、小的雙折射性、潔淨性、易 成型性、高的耐熱性、低吸水性及適當 的強度等。 12-6 光電材料 最常見之透明材料中，壓克力（PMMA） 最常用於鏡片上。 PMMA曾用於影碟（Laser disk）的製作， 但在LD 市場逐漸式微的影響下，PMMA 之光學用途上受到限制。 聚碳酸酯（PC）塑膠常被用於光碟，也廣 泛應用於安全眼鏡、部分照相機鏡片、汽 車前燈等。 由美國PPG公司所開發的ADC 樹脂（Allyl diglycol carbonate），主要僅使用於眼鏡 鏡片市場。 12-6 光電材料 在各種類型的能量激發作用下可發光的 物質叫發光材料。 自然界中的許多物質，包括無機化合物 和有機化合物，都或多或少可以發光。 發光材料在工業、農業、醫學、交通、 軍事等領域均有重要應用，是一種精細 高技術產業。 12-6 光電材料 有機或無機材料的發光原理極為相似，當 材料受到一順向偏壓時，外加電壓能量將 驅動電子與電洞，分別由負極與正極注入 到此材料中，當兩者在傳導中相遇，會互 相結合而形成所謂的電子（電洞複合）， 此時電子的狀態位置將由激態高能階回到 穩態低能階，而其能量差異將分別用光子 或熱量的方式放出，其中可見光的部分可 被利用當作顯示功能。 因為是利用材料能階差，釋放出來的能量 轉換成光子，所以我們可以選擇適當的材 料當作發光層或是在發光層中摻雜染料， 以得到我們所需要的發光顏色。 12-6 光電材料 目前常用之發光材料如表12-7 所示。 12-6 光電材料 1.無機發光材料 目前應用較廣的發光材料主要是無機發 光材料，尤其是固體材料。 在固體材料中，用得最多的是粉末狀多 晶；其次是薄膜和單晶。 發光材料通常是些微小的晶體，顆粒大 小在幾微米到十幾微米。粉末材料的應 用最廣，在各種激發方式的發光中應用 的很廣泛。 12-6 光電材料 實際應用中種類繁多，最重要的有以下 各類化合物：硫系（硫化物、硒化物、 碲化物）；含氧酸鹽（磷酸鹽、矽酸鹽、 硼酸鹽、釩酸鹽、鎢酸鹽）；氧化物、 硫氧化物、鹵氧化物等。 這些化合物的陽離子一般都是週期表中 的第Ⅱ族元素（鋅、鎘、汞、錳和鍶等） 和稀土元素。 12-6 光電材料 2.有機發光材料 有機發光材料與無機發光材料相比，有 機發光材料具有許多不可比擬的優越性， 主要表現在下述三方面： (1)有機材料可以獲得在可見光譜範圍內 的全色發光，特別是無機材料難以獲得 的藍光。 (2)可以直接用十幾伏甚至幾伏的直流低 壓驅動，可以與積體電路直接匹配。 (3)有機電致發光元件的製作方法簡單， 可以低成本製成超薄平板顯示元件，因 此易於商業化。 12-6 光電材料 選擇有機發光材料必須滿足下列要求： (1)高量子效率的螢光特性，且螢光光譜 主要分布在400~700nm可見光區域內。 (2)良好的半導體特性，即具有高的電導 率，或能傳導電子，或能傳導電洞，或兩 者兼有。 (3)良好的成膜性，在幾十個奈米的薄層 中不產生針孔。 (4)良好的熱穩定性。 12-7 其他材料 奈米兩字翻譯自英文Nanometer表示基本長 度單位十億分之一公尺，即1nm = 10 -9m簡 稱nm，過去產業界常以毫微米稱呼，如表 12-8 所示。 奈米材料通常是指尺度介於1~100 奈米尺寸 之大小的材料，如圖12-31所示，為顯示不 同物體尺度之差異。 但是微小尺寸僅只是基本條件，更重要的是 要在微觀奈米狀態下，能實證出特殊新穎的 物理或化學性質，例如：電性、磁性、光學、 熱性質與化學活性等。 12-7 其他材料 這些物理和化學特性通常以奈米材料於聚集狀態下 測其特性，但未來隨著奈米級量測技術之進步，則 將陸續趨向於微觀之奈米級個體量測，例如：針對 奈米團簇之性質量測與分析。 12-7 其他材料 12-7 其他材料 12-7 其他材料 1.奈米結晶材料（Nanocrystalline materials）：由於物質在微結構微 小化時，表面原子與內部材料原子個數比例 會顯著上升，此時介面原子的行為便會決定 物質的性質。 2.奈米孔隙材料（Nanoporous material）： 此類材料指孔隙尺寸小於100nm 之多孔隙材 料，包括自然界中早已存在之生物膜（如蓮 花表面、蝴蝶翅膀鱗片、鵝的羽毛等）與沸 石，其高表面積使之具高催化及吸附效應。 12-7 其他材料 3.奈米纜線傾向於無機材質，主要運用於電 子工程。奈米纜線之電子傳遞行為並不遵循 古典電子學，應用於建構複雜之電路系統時， 主要困難點在於纜線間之連結性 4.奈米碳管：奈米科技（Nano Technology） 的概念，是利用物質的最基本單位－原子和 分子層次的操控物質，組合出極其微小的新 材料和新機器。 12-7 其他材料 日本NEC 科學家飯島澄男（Sumio Iijima）於1991 年，在研究碳簇C60時 發現奈米碳管是一種直徑1 30 奈米 （Nanometer）的圓筒形碳材料。 奈米碳管的原子結構（如圖12-32）是 目前自然界中所發現最細的管子。其未 來的成品如圖12-33 所示，奈米碳管具 熱傳導性佳、導電性（銅的1 萬倍）佳、 強度佳、化學性穩定，而且又柔軟的特 性。 奈米碳管可以用來製造強度約為鋼鐵的 100 倍之光纖，然而重量卻只有鋼鐵的 六分之一。 12-7 其他材料 美國休斯頓稻米大學（Rice University） 的科學家R. E. Smalley宣稱奈米碳管價格 為每克60 美元至每克1000 美元，而黃金 價格每克不到10 美元，黑色的醜小鴨馬 上變成美麗的天鵝。 因此奈米碳管又稱為『奈米碳烏金』。經 過許多實驗證實，奈米碳管具有超級的彈 性，即使讓奈米碳管彎曲九十度也不會折 斷。 12-7 其他材料 舉一個例子來說明，假設有一輛完全由同 一根奈米碳管所製作之汽車，高速行駛後 撞擊一面牆。我們會發現此輛車子並不會 像一般汽車在強烈撞擊後解體碎裂，主要 是因為奈米碳管所製成之汽車具有超級的 彈性，撞擊後會縮成一團，然後再慢慢回 到原來之形狀。 12-7 其他材料 12-7 其他材料 12-7 其他材料 奈米碳管可以說是種蘊藏高潛力 （High potential）的夢幻材料。 繼矽（Si）取代鐵（Fe）之後，奈 米碳管有可能取代矽，成為二十一 世紀科技產業的核心材料。 5.奈米粉體是奈米材料中種類最多 且運用最為廣泛的一種，自潔玻璃 即為一例。 12-7 其他材料 6.光子晶體：光子晶體是一種多孔結構 的組織。 由於具有特定的物理結構，因此可使光 波在物質中的電磁特性加以改變，並使 得電磁波在具有高度排列秩序的材料中 之行為有如電子在晶體中般可被介質的 空間結構、排列週期、結構形式以及介 電常數所控制。 12-7 其他材料 因此不需要改變介質本身的化學結構， 僅需在介質的波長尺度以及光子能隙進 行設計便可製造出具有不同光特性的產 物，此種新式的人工晶體稱為光子晶體 （Photonic crystals）。 雖然光子晶體是個新名詞，但自然界中 早已存在擁有這種性質的物質。以蝴蝶 為例，如圖12-35 所示，其翅膀上的斑 斕色彩，其實是排列整齊的鱗粉且為一 次微米結構，能選擇性地反射日光的結 果。 12-7 其他材料 12-7 其他材料 蓮花的花面是由一層極細緻的表面組 成，而此細緻的表面就算是放大千百 倍也看不見任何孔隙，因為蓮花表面 的結構與粗糙度為奈米尺寸，如同光 滑的鏡面般不易沾惹塵埃。 所以污泥及飛塵都無法吸附在它表面， 這個特性能用來改善高科技的戰機雷 達天線罩，也可以用來生產自潔玻璃 及奈米馬桶等民生用品。 12-7 其他材料 鴨子、鵝常在水中活動，可是卻不見 他們的羽毛被水打濕，因為鴨毛或鵝 毛的排列非常整齊，而且毛與毛之間 孔隙極小，小到奈米尺寸，所以水分 子也無法穿透層層排列的毛。 原始的土著常以燃燒植物或木材之後 所得的碳灰，塗抹在臉上，藉以恐嚇 敵人，驅除猛獸，或獵取動物。 碳灰顆粒的大小，大約為奈米尺度， 故能均勻塗抹，且奈米碳灰附著力強， 持久不退色，適合當染料。 12-7 其他材料 近來，隨著化學氣相沉積（CVD）技術的發展， 使得鑽石的應用擴展至高頻通訊產業、光電產 業的散熱元件與光學元件以及鑽石半導體等。 所謂的鑽石晶圓，是以化學氣相沉積（CVD） 的方式，將鑽石薄膜鍍製於特定之基板上（如 矽晶圓、碳化矽等），形成一種複合式晶圓。 然而鍍製後的鑽石薄膜表面，過於粗糙而無法 應用於精密之電子元件基板與光學元件上，因 此需要使用鑽石膜平坦化的技術。 12-7 其他材料 鑽石是自然界最硬的材料，加工困難度十 分高。 目前研究單位已開發出硬脆基板延性加工 技術，應用於鑽石晶圓加工，成功克服硬 脆材料的加工瓶頸。 鑽石晶圓的開發，可應用於高頻通訊產業， 發展鑽石表面聲波元件，藉由鑽石擁有最 高之表面聲波傳遞速率，使得傳輸的頻率 提高2~3 倍，增加資料傳輸量，讓消費者 享受到更快速、更便利的通訊服務。 12-7 其他材料 省電亮度高的LED發光二極體，在生活 中逐漸取代傳統的燈泡，大部分白光的 LED 在製作過程中都需要混合螢光粉， 才能夠達到發光的目的。 近來，國立清華大學合成出一種不需要 添加任何化合物的新材料，透過紫外光 就可發出黃光與白光，為白光LED 的發 展，開闢了一個新的研發方向。 12-7 其他材料 與傳統光源相比，利用LED 產生與太陽 光色相似的白光，具有零汞污染、耗電 量低、發光效率高等多方面的優點。 因此以白光LED 大幅取代傳統日光燈等 照明，是照明光源科技領域積極研發的 重要目標。 12-7 其他材料 鎂金屬中添加密度僅0.53g/cm3 的鋰元素可 形成鎂鋰合金，是目前結構金屬材料中密度 最低者，其比重介於1.4~1.6，較一般鎂合金 的1.8 更低，與塑膠之密度則約略相等。 因其結構已改變，與習知鎂合金的原子排列 方式不同。此材料除超輕量外，最大特色為 可常溫塑性加工成型，如軋延、沖壓等技術 大量生產，不必侷限於現有的鎂合金壓鑄成 型方式。鋰鎂合金未來將配合產業界探討各 種新應用之可能，例如：3C 產品、音響振 膜、運動器材、航太零件等。 12-7 其他材料 日前蘇格蘭的大學發表最新能源發現一 種新的電極（Electrode）材料，可以更 有效的利用燃料電池中的天然氣或沼氣， 即從有機廢棄物發酵所產生的氣體中， 來產生比現在高出40%的電壓。 據稱該項增加之電壓不但會增強天然氣 或沼氣中所產生的電力，其效能更將超 越時下最先進的電極產品。科學家相信 燃料電池在未來將被廣泛的使用在各項 用途上，以滿足日益成長的能源需求， 包括：手提式電子商品、汽車或是建築 物等。 12-7 其他材料 1.Honeywell塑膠公司開發出耐疲勞性極 優的強化PET新材料Endurance，在仍保 持極佳外觀前提下，疲勞強度大幅提高。 實驗室試驗結果顯示：在56MPa下， Petra 7500 的循環次數為170 萬次，比 一般30%玻纖強化PET（2.6 萬次）高二 個數量級。新產品採用了一種新的特殊添 加劑，確保不影響製品表面性能，而且熔 融穩定性和熔體流動性高，改進了成型加 工性。 12-7 其他材料 2.杜邦的研究人員利用公司高級複合專利 技術，生產出了Suprel（TM）。 杜邦為這一技術申請了近20 件新專利，能 利用兩種不同的材料的理想性能，生產出 醫用織物，滿足特殊需要。 Suprel（TM）是用聚酯做的唯一醫用織物， 用的聚酯可增加強度，用的聚乙烯可以有 像絲一樣的軟感，與其他醫用織物相比， 它的表面摩擦比較小，感覺比較舒適，行 動自如，還能把身體的熱量很快散發出去， 在工作環境下感到舒服。 12-7 其他材料 3.美國EASTMAN化學公司研製出了一種 新型聚酯纖維，所採用的聚合物為環己二 甲醇對苯二甲酸酯（PCT），該系列纖維 商品名為EASTMAN，有短纖維和長絲兩 種形式，並可用於生產紡粘型和熔噴法非 織造布。 該纖維還具有非常柔軟的手感、且壓縮後 有非常好的回彈性，特別適用於製作枕頭 和墊子。 此外，它還具有良好的水解穩定性，可用 於重複性使用的床墊及洗衣袋。 12-7 其他材料 EASTMAN纖維比重低，適用於製 作毯子、地毯及馬鞍座毯，它所製 作的起絨織物收縮率小、熱穩定性 好、容易染色且不易粘連在一起， 其織物的熨燙溫度可達到205℃。 纖維的工業用途包括耐高溫過濾材 料及絕緣材料，還可用於製作結構 性複合材料。 12-7 其他材料 美國北卡羅來納州州立大學科學家最近發 明出一種新型的不黏材料。據這所大學提 供的資料聲稱，先把一種與矽樹脂橡膠近 似的彈性聚合物拉伸，接著通過化學方法 將氟化分子壓入橡膠內，然後放鬆，使聚 合物恢復原狀；被壓入的氟化分子堵住了 聚合物分子間的空隙，結果就形成一種新 型的材料。 這種材料內部分子排列緊密，本身高度排 水，而且表面非常光滑。 12-7 其他材料 如果用於機器設備，將大大減少潤滑油的 使用量。 預測用新方法製造出來的新型不黏材料， 性質得到改善，將來的應用領域十分廣泛， 可用來作為從廚房平底鍋到計算機磁盤驅 動器、從醫療移植材料到飛機部件等多種 產品的表面塗層。