【探索30-8】材料科學觀點——探索晶體之開發及應用

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在古時候,人們對於新材料的開發往往是在偶然的機運,並透過經驗的傳承與累積,一步一步地改良。而新材料的開發與文明的發展與走向息息相關,許多影響人類歷史的大事件,背後都與器物製作的材料、工藝密不可分。材料科學的出現,使得人們不再僅之其然,更能知其所以然,透過微觀晶體結構的組成,人們能夠對於各項材料加以分析,並依自己的需求開發、改良出效能更卓越的材料。因此材料科學的發展可以說是代表著人類文明的一本史書。

講者|臺灣大學材料科學與工程學系 楊哲人 特聘教授

彙整、撰稿|何緯綸

 

臺大材料科學與工程研究所的楊哲人教授,畢業於英國劍橋大學三一學院,在三一學院求學的過程讓楊哲人教授對於材料科學有著深入的瞭解,在畢業後,依然致力於對晶體的微觀尺度探索。由於晶體的排列結構直接影響著晶體的特性,為了瞭解得更透徹,研究它們的次結構和奈米尺度下的排列方式是至關重要的事情。

 

晶體的特性
來源:臺大科學教育發展中心

1913年,布拉格父子教授以X光射線開啟了對晶體研究的認知,使晶體這種固態材料走入大眾視野。所謂固態材料大致分成以下幾種:晶體與非晶質(如:玻璃)、金屬、陶瓷、高分子材料……等。而其中,金屬固態材料為此節探討重點。金屬乃是整齊規律的第三度空間排列,其立體格子稱為結晶格子 (crystal lattice),構成結晶格子的最小立體格子則稱為晶胞 (unit cell)。

另外,金屬的結構又大致分為:體心立方 (BCC)、面心立方 (FCC)、六方最密堆積 (HCP)。其中,面心立方堆積每層的排列方式為ABCABC……,六方最密堆積每層的堆積方式則為ABABAB……。舉例而言:鑽石即是複雜的面心立方結構。(圖片與解說請點此

正常的金屬材料通常由非常多小的晶體聚集而成,因此大多數金屬皆可歸類為「多晶材料」(polycrystalline);這些材料中的晶體通常稱之為「晶粒」(grains),在實驗研究裡常常將晶粒染色,以判別每顆晶粒堆積而成的方位,進而判斷它是屬於等軸晶,抑或是柱狀晶。

 

晶體缺陷

然而,晶體內部並非完美無瑕,事實上反而常常出現缺陷,使其作用較不佳。晶體內部的缺陷大致可分成三種,分別為點缺陷、線缺陷與面缺陷。

點缺陷的成因乃因高溫使某一原子消失,跑到晶體表面來增加亂度。另外還有如置換型原子(與晶體裡的某一原子置換,比如矽、鎳原子置換鐵原子)和插入型原子(直接插入晶體間隙裡,比如鋼鐵裡的碳原子)。

提到線缺陷,則不可不提到差排 (dislocation) 的現象,此現象於1956由Peter B. Hirsch透過穿透式電子顯微鏡所發現 (TEM),這項重大突破對材料科學領域有著深遠的影響。由於差排線亦屬於晶體缺陷的一種,所以材料科學領域的專家們都在研究如何使差排線消失,而在研究如何使其消失的過程裡便發現到了更多不同的晶體排列模式;其中,以溫度和時間為最重要的操縱變因。

 

材料科學的實例
來源:臺大科學教育發展中心

高熵合金之退火雙晶 (anneling twin)

退火雙晶在掃描式電子顯微鏡下呈現板條形,然而一般研究晶體的人總會困惑,為何會有兩個晶體存在並互相交融呢?由於如此構建的退火雙晶雖然結構破碎,卻處在低能量狀態下,因此缺陷是被允許存在的!高熵合金因其耐壓性,經常使用於製作抗彈板、國防工業、航太科技業、極地重機、耐衝撞之尖端物件。

合金式析出強化 (precipitation hardening of alloys)

楊教授舉例說,合金式析出強化就好比糖水溶液的再結晶狀態,會使溶質再析出的顆粒變得更細小、更精緻。有一種沉澱式析出強化稱之為「界面析出強化」(Interphase-precipitation hardening),以理論來說,即是將合金鋼的原母晶相 (γphase) 的晶界變成子晶相 (αphase),同時在兩者的界面上沉澱析出更細小的奈米碳化物晶粒。臺灣知名的腳踏車品牌——捷安特腳踏車,便是以此法找到了更輕更堅固的金屬材料。此法製造出來的合金也廣泛運用在卡車大樑、汽車防撞鋼樑、安全氣囊零件……等。

值得一提的是,合金鋼晶體中有一例子,是為無間隙原子鋼中的塊狀肥力晶體,在這個過程裡,需要經由儀器將其從1200 ℃以每秒500 ℃的速率將其急速冷卻,在冷卻過後,將其放在光學顯微鏡下觀察,便會發現其晶體長得很像變形蟲!

鋁合金析出強化 (Precipitation hardening of alloys)

鋁合金相較於其他金屬合金更輕、更強韌,在掃描式顯微鏡下雖然看似是2D結構,但透過穿透式顯微鏡觀察,卻能發現它其實是3D片狀的。在製作鋁合金的過程中,除了要知道製造的溫度(就如前述所提到,溫度是影響合金形成的關鍵),亦要知道其配方,而製造鋁合金的關鍵材料便是銀元素。加入銀元素便能使得Ωphase更加強韌!

 

結 語

材料科學對人類文明的發展至關重要,是人類社會往前進步不可或缺的研究領域。古時候的人們在製作各類器具時,完全依賴經驗的累積,僅知其然,但並不知其所以然。然而,材料科學的出現,使得人們得以探究各類材料為何具有更加卓越的性能,也得已發明出更多先進的材料,因此材料科學更可以說是代表著人類文明的一本史書。

承如楊教授在演講開頭對於材料科學精闢地總結:整個材料科學的發展,就是一部人類文明演進的歷史;材料著改變世界;某些材料對於整個人類文明的發展至關重要,且平凡的材料也可以不平凡。

 


圖左為主持人臺大土木工程學系 詹瀅潔 教授、圖右為講師楊哲人教授|來源:臺大科學教育發展中心

 

延伸閱讀:《【人物專訪】讓材料「活」起來:以材料分析看見微觀世界——專訪楊哲人教授


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