工程材料領域

工程材料研究領域之簡介

 

一、工程材料研究背景

  工程材料是人類賴以生存及文明發展中,用以所有機具製作與構造物建造最重要的基本要件,涵蓋範圍極為廣泛,包括用於製作機械、儀表、器件、營建、化工、航空、能源等工程領域的材料。工程材料分類方式有多種不同的方法,以物理化學性質區分,可分為:(1)有機(含碳)材料:如木材(timber)、高分子材料(polymers)、油(oils)、漆(paints)、自然樹脂(natural resin)、瀝青材料、黏結材料(adhesive material)及土壤(soils)等。(2)無機(不含碳)材料:如水、金屬、陶瓷、磚類、玻璃、水泥、石塊、石膏及石灰等。

 

  以物理化學性質區分,也可以分為:(1)金屬材料:包括鐵質金屬(ferrous metal),主要組元素為鐵元素,以鐵碳合金(iron-carbon alloy)為主,如鋼筋、不銹鋼、工具鋼及鑄鐵等,及非鐵質金屬(non-ferrous metal),主要組成元素不是鐵元素,包括鋁、銅、鎂、鉛及鋅等,(2)非金屬材料:種類很多,包括所有的有機材料及除金屬外的所有無機材料,(3)複合材料:主要如陶瓷材料(大多由黏土礦物所組成,含氧化物、氮化物和碳化物等,介於金屬和非金屬元素間的化合物,質硬脆耐壓,典型的電和熱絕緣體,比金屬和高分子材料更耐高溫和耐腐蝕),半導體材料(電性是位於導體和絕緣體材料中間的材料)、梯度功能材料(functionally graded materials,FGM)(由金屬-金屬、金屬-陶瓷、非金屬-非金屬、非金屬-陶瓷等組成之複合材料結構,材料性質沿厚度方向由一側向另一側呈連續梯度變化,從而使材料功能也呈梯度變化的一種新型材料)、鋼筋混凝土材料、纖維加強塑膠(fiber-reinforced plastics)材料、積層複合材料(laminate composite)及粒子複合材料(particulate composite)等。

 

  如以用途及領域分類,可分為(1)機械工程材料、(2)營建工程材料、(3)電機工程材料、(3)化學工程材料(含常見的大多以碳、氫和其他非金屬元素等有機化合所組成之高分子聚合物材料,如塑膠材料、橡膠材料及合成纖維等)及(4)能源工程材料(光電材料、氫能材料、燃料電池材料、太陽電池材料、環境污染控制元件材料、鎳基超合金、鐵基超合金及鈷基超合金等)等。

 

二、工程材料研究領域

  人類使用材料的歷史非常久遠,19世紀中葉,由於現代煉鋼平爐及轉爐煉鋼技術之發明,使人類使用進入產業革命發展的鼎盛時期,直到20世紀中葉,金屬材料製作工業仍是材料科技研發最重要項目之一;早期的材料使用觀念,由於對材料降服後應力-應變行為不完全掌握及對如何妥善使用此段降服後材料行為的力學理論不甚瞭解,基於對材料須具有高度安全因素之考量,材料使用範圍大都僅限在工作應力範圍,因此,材料構件均較為巨大與笨重,不注重如何減重量/強度比,到了20世紀60年代,蘇聯於1957年發射人造衛星成功後,震驚當時號稱科技領先全球之美國政府及科技界人士,體認到使用輕「重量/強度比」之先進材料為發展高科技工業之重要基礎,於是先後在一些大學成立材料學研究中心,自此,材料科學之研究發展逐漸地成為發展製作優質均質結構材料(如金屬材料及高分子材料等)及優質多功能材料(如將金屬材料和高分子材料結合一起之複合材料、微奈米精密材料、具主動性功能之智慧材料等)的最基本要素;隨著新材料產生,對原有及新型材料應力-應變行為須有進一步深入的測試與掌控,對於如何以更先進力學學理瞭解材料之力學行為特性,進而充份地將質功能應用於實務上,也逐漸形成工程材料科技發展之研究重點,同時,對於如何瞭解此類材料在實際使用上工程行為(如耐磨、耐久、配比、耐火及隔音等)之變化,也逐漸成為工程材料科技發展的重要項目;最後,在工程材料在實務應用時,研究材料檢測、維護、修捕及管理等議題,也是工程材料研究發展中不可或缺之研究項目。

綜合上述,工程材料研究領域可分為以下四大類:

1.材料科學(material science)

  研究材料之微觀結構(microstructure)、原子(atom)、分子結構(molecular structure)、晶格(lattice)、晶體結構及排列(crystal structure and geometry)、原子與分子排結(atomic and molecular bond)、量子力學(quantum mechanics)、原子排列(atomic arrangement)、單位晶胞之原子數(atom number per unit cell)、相圖(phase diagram)、光學性質、電學性質、磁學性質、熱學性質、陶瓷材料、導電材料及光電材料等。

2.材料力學(mechanics of materials)

  研究材料之巨觀行為,著重於材料在受力情形下所造成的應力-應變行為,如高等材力學、彈性力學、材料組合律、塑性力學、粘彈性力學破壞力學(斷裂力學)等。

3.材料工程行為學(engineering behavior of materials)

  研究材料之巨觀行為,著重於材料之物理性質(抗拉強度、抗壓強度、彈性係數、破裂性質、熱傳導係數等)、材料疲勞行為、耐久性、耐磨性、隔音性質、配比及製程等。

4.材料評估與應用(evaluation and application of materials)

  研究材料之試驗、檢測、取樣、品質控制、管理、維護、修護、新工法、規格(specification)及規範(code)等。

 

三、工程材料研究重點與趨勢

  國科會工程處過去5年來(民國96年至100年)通過「土木、水利、工程」類專題研究計畫件數分別為545、492、417、441及412件,以民國100年所通過之412件專題研究計畫內容進行統計分析,與上述四項「工程材料研究領域」相關計畫計有41件(41/412 »10%),其中第(一)類:材料科學0件(0%),第(二)類:材料力學11件(11/41 »27%),第(三)類:材料工程行為學23件(23/41 »56%),第(四)類:材料評估與應用7件(7/41 »17%),基本上,國科會工程處「土木、水利、工程」類工程材料之研究計重點,仍著重於第(二)類及第(三)類研究領域之研究,其次為第(四)類研究領域之研究,此種研究趨勢在未來幾年應不致變化太多;明顯地,第(一)類材料科學之研究發展乃是發展新材料之必要條件,但由於此領域之研究者須有良好之化學/化工/材料等專業知識背景,一般以土木/建築/營建為專業領域之研究者,不太容易進行此「材料科學」,因此,申請此類研究計畫之案件不會很多,上述統計數據也明確地顯示此種趨勢,其它四年度(民國96年至99年)通過「土木、水利、工程」類專題研究計畫件數比例、與通過件數在上述四項「工程材料研究領域」所佔比例,應與民國100年統計數據大致差不多。

基於上述說明及考量工程材料研發的永續發展,未來較具前瞻性與突破性工程材料研究可能的主要重點及趨勢有下列幾項:

1.結合材料科學、材料力學及材料行為學之跨領域工程材料科技研究,研發生態材料(eco-materials)、智慧材料(intelligent materials)、奈米材料(nano-materials)及多功能複合材料(multi-functional composite material)。

2.節能減碳綠材料(含廢棄物再生利用材料)材料力學及材料行為學之研究。

3.加強工程材料評估與應用之研究,著重於材料耐久性評估、應用生命週期評估(LCA)概念評估與選用材料、先進訊號處理理論與技術非破壞性檢測材料工程性質

 

國立臺灣科技大學營建工程系 張大鵬教授 撰稿