【精品课件】材料工程与科学

Chapter1-1材料工程與科學目標...介紹材料科學基本觀念學習內容:•材料結構(Structure)•結構如何決定性質(Property)•製程(Process)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Chapter1-2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）?•奈米材料Chapter1-簡介IntroductionChapter1-Chapter1-1.2材料科學與工程(MATERIALSSCIENCEANDENGINEERING)Chapter1-•結構(Structure)包含原子和分子組織相互間的相對關係.結構意謂材料結構與內部成份的排列有關.•性質(Property)是指材料特點,一般而言材料性質的定義與材料的形狀及大小無關.固體材料可分為6種不同性質:機械,電性,熱,磁,光電與劣性.•除結構與性質以外,另兩個材料相當重要的是製程(Processing)與性能(Performance).Chapter1-7ex:鋼鐵的結構與性質•結構影響性質DataobtainedfromFigs.10.30(a)and10.32with4wt%Ccomposition,andfromFig.11.14andassociateddiscussion,Callister7e.Micrographsadaptedfrom(a)Fig.10.19;(b)Fig.9.30;(c)Fig.10.33;and(d)Fig.10.21,Callister7e.ex:鋼鐵的結構與冷卻速率•製程改變結構性質、結構、製程Hardness(BHN)CoolingRate(ºC/s)1002003004005006000.010.11101001000(d)30mm(c)4mm(b)30mm(a)30mmChapter1-顯示三種氧化鋁試片具有不同的光學性質(即光的穿透性)，左邊的氧化鋁試片由於是單晶，所以是透明的，中間的氧化鋁球由於是多晶，所以晶片會教射一部分之反射光，故是半透明，右邊的氧化鋁試片是具有5%孔隙度的多晶結構，所以是不透明的。圖1.2Chapter1-1.3WhyStudyMaterialsScienceandEngineering•材料問題是由成千上萬的可用材料中選出適用的材料,材料的選擇包括:1.適當的材料特性與強度.2.生產操作期間的劣化,例如腐蝕和氧化.3.經濟性,成本考量.Chapter1-101.4材料種類•金屬:金屬材料通常是由金屬元素組成,是電熱的導體,雖硬但會變形.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.•陶瓷:陶瓷材料是電熱的絕緣體,硬度高具脆性,比金屬和高分子更耐高溫.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)•高分子/塑膠:高分子材料包括塑膠和橡膠材料,許多是有機材料,化學上以碳,氫和其它機金屬為基礎,基本上具有非常大的分子結構.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Chapter1-11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PolysulfoneChapter1-f03_01_pg6Chapter1-f04_01_pg6Chapter1-f05_01_pg7Chapter1-f06_01_pg7Chapter1-f07_01_pg8Chapter1-17電性•銅導電性:•加入雜質原子提高銅的電阻•變形提高銅的電阻.AdaptedfromFig.18.8,Callister7e.(Fig.18.8adaptedfrom:J.O.Linde,AnnPhysik5,219(1932);andC.A.WertandR.M.Thomson,PhysicsofSolids,2ndedition,McGraw-HillCompany,NewYork,1970.)T(°C)-200-1000123456電阻,r(10-8Ohm-m)0Chapter1-18熱性質（1）•太空梭隔熱磚：--矽纖維隔熱層提供低的熱傳導性AdaptedfromFig.19.4W,Callister6e.(CourtesyofLockheedAerospaceCeramicsSystems,Sunnyvale,CA)(Note:Wdenotesfig.isonCD-ROM.)100mm奮進號太空梭隔熱瓷片：高純度氧化鋁纖維(99.8%)silicafibers(10%)and空間(90%)Credit:NASA可重複使用高溫表面隔熱磚High-temperaturereusablesurfaceinsulation(HRSI)Credit:WikipediaChapter1-19AdaptedfromFig.19.4,Callister7e.(Fig.19.4isadaptedfromMetalsHandbook:PropertiesandSelection:NonferrousalloysandPureMetals,Vol.2,9thed.,H.Baker,(ManagingEditor),AmericanSocietyforMetals,1979,p.315.)Composition(wt%Zinc)ThermalConductivity(W/m-K)4003002001000010203040•銅的熱傳導性:--加入鋅降低銅的導電度!但強度,硬度增加熱性質（2）Chapter1-20磁性•磁導率vs.成分:--加入3at.%Si使Fe變成更佳的記錄介質!AdaptedfromC.R.Barrett,W.D.Nix,andA.S.Tetelman,ThePrinciplesofEngineeringMaterials,Fig.1-7(a),p.9,1973.ElectronicallyreproducedbypermissionofPearsonEducation,Inc.,UpperSaddleRiver,NewJersey.Fig.20.23,Callister7e.(Fig.20.23isfromJ.U.Lemke,MRSBulletin,Vol.XV,No.3,p.31,1990.)•磁性儲存:--磁頭磁化記錄介質MagneticFieldMagnetizationFe+3%SiFe儲存介質磁頭磁場磁化Chapter1-21•透明度:--氧化鋁因其結構不同而透明、半透明、不透明AdaptedfromFig.1.2,Callister7e.(Specimenpreparation,P.A.Lessing;photobyS.Tanner.)單晶多晶：低孔隙度多晶：低高孔隙度光學性質Chapter1-22劣化•應力與鹽水...--導致裂紋!Adaptedfromchapter-openingphotograph,Chapter17,Callister7e.(fromMarineCorrosion,Causes,andPrevention,JohnWileyandSons,Inc.,1975.)4mm--7150-T651鋁合金(Zn,Cu,Mg,Zr)AdaptedfromFig.11.26,Callister7e.(Fig.11.26providedcourtesyofG.H.NarayananandA.G.Miller,BoeingCommercialAirplaneCompany.)•熱處理：在鹽水中可降低裂紋速率AdaptedfromFig.11.20(b),R.W.Hertzberg,DeformationandFractureMechanicsofEngineeringMaterials(4thed.),p.505,JohnWileyandSons,1996.(Originalsource:MarkusO.Speidel,BrownBoveriCo.)10-1010-8增加荷重裂紋速率裂紋速率m/s無熱處理狀態160ºC-1小時7178鋁合金在23ºC飽和鹽水中試驗Chapter1-f08_01_pg8Chapter1-f09_01_pg9Chapter1-f10_01_pg9Chapter1-•複合材料(Composites):由多於一種以上的材料所組成,玻璃纖維是最常討論的例子,將玻璃纖維埋進聚合體,強度來自玻璃,柔軟性來自高分子.•半導體材料(Semiconductors):半導體材料電性介於導體和絕緣體之間,使電子和電腦工業大舉革新.•生醫材料(Biomaterials):生醫材料使用材料植入人體,以代替疾病與損害的部份,例如人工髖骨.•智慧材料(Smart):智慧材料是目前發展中,對許多技術有明顯改善,例如形狀記憶合金,壓電陶瓷等.•奈米材料(Nano):奈米單位10-9m,其中奈米碳管是一項新的發現,探具有相當高的強度與極佳的性質.Chapter1-27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AdaptedfromFig.22.25,Callister7e.Chapter1-28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AdaptedfromFig.22.24,Callister7e.脊隨股骨球頭髖臼股骨骨盆骨盆Chapter1-29人工髖關節(Hip)移植AdaptedfromFig.22.26,Callister7e.股骨柄股骨球頭骨盆髖臼杯固定劑固定劑Chapter1-301.應用決定所需性質2.性質找出候選材料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）、退火性質:機械、電、熱、磁、光、劣化材料：結構、成分材料選擇程序Chapter1-31•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課程目標:結論