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							金屬材料之發展

傳統金屬材料的進展
 新金屬材料的出現
現代合金技術的特色
 新動力與交通革命
   鐵的出現及使用

• 影響人類文明最大的金屬是鐵
• 鐵礦在地層下的蘊藏量相當豐富，
  但因其熔點較高，所以進入人類
  文明領域的時間稍晚。
• 大約在三千年前，開始出現在兩
  河流域，特別是在小亞細亞山區。
   鐵對文明的影響

• 鐵的產量原本有限，價格居高不
  下，無法廣泛使用
• 十八世紀下半葉，由於焦化技術
  及鼓風爐的進步，產量大增。
• 英格蘭地區鐵的年產量已經達到
  二百萬噸
    煉鐵的方法

• 鐵礦鑄成的鐵含有硫、磷、
  錳及矽等化合物，質地較脆
  弱，將鑄鐵再加鍛鍊造成熟
  鐵或鋼，用途更廣。
• 去除鐵中雜質煉成熟鐵或鋼
  的技術也早為人知，但由於
  技術的限制，產量有限。
     煉鐵成鋼

• 時間：約在1850年左右，
  英格蘭、美國、德意志地
  區都分別發展出空氣吹煉
  法，利用熱空氣吹進熔化
  的鐵漿，使鐵漿中的碳與
  氧結合，減少含碳量，遂
  成為用途更廣的鋼。
       鋼的應用

• 技術進步後，綱的產量大增
• 到1900年，英格蘭地區的鋼產量已
  由1850年的六萬噸增加到2800萬噸。
• 鋼鐵的應用甚廣，從廚具到大型機
  械。隨著技術的進步，鋼加入其他
  的金屬如鎳、錳等，可以承受較高
  的溫度或壓力，用途更為廣泛。
    其他重大金屬

• 影響人類文明較多的金屬，
  尚有：金、銀、銅、錫、鉛、
  鋅和汞等。
      金

• 性質穩定，不意化合，所
  以多以自然金屬的狀態出
  現，河床的沙礫層是古人
  蒐集金的最佳地點。
• 金的硬度低，容易變形，
  在工業上並無太大的價值。
      銀

• 銀的產量有限，所以都和
  金被當作貴重金屬，在歷
  史上作為裝飾及交易媒介。
  金銀在考古上的價值

• 考古學者往往可以根據一個
  地區出土的金銀器皿推測該
  地的工藝水準、宗教思想及
  社會狀況。
• 金銀貨幣的出現往往也是一
  個交通發達、貿易頻繁地區
  的重要指標。
        銅
• 銅出現較早，多以銅與錫的合金形
  式出現，就是青銅。
• 將錫、鋅、鉛、銻或碘加入銅中，
  可以改變同的性質，使其堅硬，用
  來做武器、樂器或容器。
• 銅具有不易氧化的特性，藏量也相
  當豐富，歷來都是做為貨幣的理想
  材料。
• 到今日為止，黃銅仍是硬幣的主要
  材質。
        鋅

• 鋅的出現也甚早，只是作為製作銅
  器的附屬材料。
• 將銅礦石與鋅礦石憶起熔煉時，可
  以得到銅鋅合金，即黃銅。
• 十九世紀中葉以後，銅、鎳與鋅的
  合金開始逐漸普遍。
• 由於鋅不易氧化的特性，被大量用
  作鍍材，鍍鋅鐵片成為食品包裝及
  建築的重要材料。
   新金屬材料的出現
• 十九世紀後，人類對電的知識瞭解
  更多，並將其應用到金屬冶煉中。
• 首先從溶解的食鹽中電解得到納與
  鉀，後來又離析出許多金屬，諸如
  鋇、鎂及鈣等。
• 這些鋅的材料應用在許多地方：航
  空工程、食品保裝；或可與其他金
  屬結合，成為新的材料或合金，改
  變人類的生活方式，對文明演進影
  響甚大。
         鋁
• 蘊藏量最多的金屬，熔點低、導電
  佳，質地輕而易於延展。
• 1827年，科學家用還原法得到粉末
  狀的鋁，但產量有限。
• 十九世紀末期，開始用電解法自鋁
  礬土中煉鋁，產量持續增加，用途
  也相當廣泛。如：飛機、汽車、電
  子業、建築、高壓電纜、門框、廚
  具、貨幣。
• 鋁是目前運輸及航太工業最好的材
  料。
     鈉、鈦及鈹

• 在自然界中的含量也很大
• 易於燃燒，除了做為觸媒劑外，
  在核能工業上也有其用途。
• 鈦及鈹，是二十世紀以後被人
  「重新」發現的重要金屬，這兩
  種金屬很少以單純的型態出現，
  多是用來製作合金，各具有其特
  性。
     放射金屬

• 是二十世紀初的一項重大發現
• 法國科學家居禮夫婦發現一些金
  屬的放射性，如鈾、鐳、釷及釙
  等
• 這些放射性元素可以應用在醫學、
  發電及和平用途上，也可以製成
  武器，殺傷力強。
    現代合金技術

• 合金：將不同的金屬或非金
  屬材料加以混合
• 性質：加入的比例不同或成
  分不同，合金的性質就會改
  變
• 各種合金因特性的不同而應
  用在不同的場合
     合金的特色

• 堅硬：
• 鋼筆的筆尖，用銥或鉑的合金製
  成
• 法國的國際標準公尺，是用90%
  的鉑與10%的銥合金製成
• 加入鎳的合金有不易膨脹的特性，
  是用來製造電器產品如電視、錄
  音機的重要組件
• 質輕：
• 鋁與鎂是最標準的輕金屬，是製
  造航空器材的最佳材料。
• 耐熱
• 鎢的合金，熔點高，硬度夠，可
  以作為鑽孔及切割工具
• 鈦合金也因為耐高溫的特性，成
  為航太工業的重要材料
• 熔點低
• 鉛與錫兩種金屬的合金據有熔點
  低的特性，可作為保險絲、焊錫
  等用途。
• 例如：消防灑水器也是利用這種
  熔點低的特性，達到消防目的。
• 不易氧化
• 鋼材中加入一定比例的鉻之後，
  據有不易氧化的特性，就是俗稱
  的不銹鋼
• 在銅之中加入了一些鎳，就成了
  白銅，不易產生銅綠，是製作器
  物的好材料
• 形狀記憶
• 部分合金可以據有隨溫度變化而恢復其
  形狀的特性，稱為形狀記憶合金，例如
  金鎘合金、鎳鈦合金、銅鋅合金等。
• 利用這類合金記憶特性，可以使其冷漲、
  熱縮，或設計較為特殊的裝置
• 例如：警報器、牙齒矯正線、胃鏡伸縮
  裝置
   新動力與交通革命

• 動力來源：人力、獸力、水力、
  風力
• 十八世紀以後，運用鋼材設計蒸
  汽機，成為動力的重要來源。
• 改良後的蒸汽機體積小、不受場
  所限制，隨時移動
     蒸汽機的應用

• 十九世紀初年，1820年，以蒸汽車
  頭為動力的工業用火車出現。
•
• 1830年代以後，歐洲及美國大量鋪
  設鐵軌，生產蒸汽機車，大規模運
  輸的鐵路時代終於來臨，這也是拜
  鋼鐵工業的發達所賜。
      內燃機

• 1960年代，工程師設計出以線圈
  點火，利用煤氣為燃料的內燃機，
  將煤氣與空氣混合後輸入汽缸，
  點火引爆，產生動力。
• 內燃機的進步：改成以汽油與柴
  油為動力、體積縮小，開始裝在
  汽車上，成為陸路交通的主要動
  力。裝在飛機上，縮短來往時間。
   建築技術的進步

• 文明史上重要的標記：埃及
  金字塔與中國的長城。
• 近代隨著新材料的出現，建
  築技術及方式有很大的改變：
  鑄鐵、鋼材、混凝土
• 影響：新聚落興起及生活方
  式的改變
    近代的建築技術
• 十八世紀末期，英格蘭出現第一座
  以鑄鐵製造的橋樑，鑄鐵成為許
  多建築師建築大型工程中不可缺少
  的材料：
• 1889年建成的巴黎艾菲爾鐵塔，代
  表當時人類對於新科技的信念，成
  為巴黎的地標。
• 十九世紀後，水泥問世，以鋼筋結
  好的框架中，加入混凝土，堅硬異
  常。
  二十世紀的新建築技術
• 二十世紀後，鋼結構取代鑄鐵，應
  用在房屋、橋樑、水庫及其他大型
  公共工程。
• 摩天樓：
• 1890年已出現二十一層的高樓
• 1930年完成紐約帝國大廈（381公尺）
• 影響：隨著建築技術進步，城市範
  圍擴大，人口不斷增加，大型都會
  興起。