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工程材料
機械工程系 吳忠春 副教授
研究室：K210D
第 1 章 緒論
1-1
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
南台科技大學
歷史觀點
材料科學與工程
為何要研讀材料科學與工程
材料的分類
先進材料
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。
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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。
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P.5
製程
結構
性質
性能
不同的製程參數，會產生不同的材料結構；不同的結
構（即使是相同的材料），會導致不同的機械性質；
具有不同性質的材料，應用於不同性能需求的環境。
所以一般材料工程師，會依照工程所需的需求訂定材
料所需要的性能，然後選擇適當的材料經過相關製程
處理後，即可具有符合需求的性質。如果性質有問題，
那就有可能是結構不對、製程參數有狀況所導致。
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P.6
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？
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P.9
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）。
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P.10
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，塑性變形能力佳）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。
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P.11
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）。
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P.13
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），反
而是柔軟具延展性。
具有低導電係數（圖 1.7）且為非磁性。
大多為碳氫化合物，不耐高溫（易燃燒）。
大家熟悉的聚乙烯（PE）、尼龍、聚氯乙烯
（PVC）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）等，
請列舉2~3種實務應用。
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P.15
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）。
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P.17
「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）
利樂鋁箔包裝材料＝鋁箔＋高分子膠膜
錄音帶＝高分子膠捲材質＋磁性陶瓷材料
複合防彈鋼板＝金屬防彈鋼板＋陶瓷奈火層＋延
性金屬鋼板
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P.18
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）。
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P.24
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」。
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P.25
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。
核能材料
具高強度、低密度及耐高溫的新材料
氫燃料電池
符合環保概念的材料
可回收（重複利用）的材料或回收技術開發
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P.27
第一章 結論
你了解材料科學與材料工程的差別了嗎？
你可以說出「製程」、「結構」、「性質」與
「性能」之間的關聯性嗎？
你知道一般工程材料可以分為哪幾大類嗎？說明
看看。（三大類的分類法、四大類的分類法以及
五大類的分類法）
你知道未來材料科技的發展趨勢嗎？
恭喜你，這一章你學的很好。好的開始喔。
培養正確的學習態度。
南台科技大學
P.27