109 年 國立暨南國際大學應用材料及光電工程學系碩士班《材料科學導論》
第 1 題
- Fig. 1 shows approximate PT equilibrium phase diagram for pure iron.
(a) Please explain Phase. (25%)
(b) How many triple points are in the iron PT diagram? (25%)
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
Temperature (°C)
Vapor
Liquid
2000
1538°C
1500
δ-Fe (BCC)
1394°C
1000
γ-Fe (FCC)
500
α-Fe (BCC)
910°C
10⁻¹²
10⁻⁸
10⁻⁴
1
10⁴
Pressure (atm)
Fig. 1
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此題考查相圖的基本概念，包含「相」的定義以及「三相點」的判讀。
核心觀念：
相圖（Phase Diagram）是描述物質在不同溫度、壓力條件下所呈現的穩定相。相（Phase）是指物質在物理性質（如化學組成、結構、密度、磁性等）上均勻且具有明確界面的部分。三相點（Triple Point）是指在特定溫度和壓力下，物質的三種不同相可以平衡共存的點。
(a) 請解釋「相」(Phase)。
在材料科學中，一個「相」（Phase）是指在宏觀上均勻且具有相同化學組成、晶體結構（或無定形結構）、物理性質（如密度、磁性、電學性質等）的區域。相與相之間有明確的界面分隔。
例如，在純鐵的相圖（Fig. 1）中，我們可以看到不同的區域標示為 Liquid（液態）、Vapor（氣態）、α-Fe (BCC)、γ-Fe (FCC)、δ-Fe (BCC)。這些都是鐵在不同溫壓條件下的不同「相」。
- Liquid：液態鐵。
- Vapor：氣態鐵。
- α-Fe (BCC)：在室溫及較高壓力下，呈現體心立方（Body-Centered Cubic, BCC）結構的純鐵，稱為 α-鐵或鐵素體。
- γ-Fe (FCC)：在高溫（約 910°C 至 1394°C）下，呈現面心立方（Face-Centered Cubic, FCC）結構的純鐵，稱為 γ-鐵或奧氏體。
- δ-Fe (BCC)：在更高溫（約 1394°C 至 1538°C）下，再次呈現體心立方（BCC）結構的純鐵，稱為 δ-鐵。
(b) 在鐵的 PT 相圖中，有多少個三相點？
三相點是相圖中三條相平衡線的交點，代表在該特定的溫度和壓力下，三種不同的相可以穩定共存。觀察 Fig. 1，我們需要找出三條曲線交會的點。
在圖中，我們可以清楚地看到以下幾個相區的邊界線：
- Liquid-Vapor (昇華/凝結線)
- Liquid-α-Fe (熔化/凝固線)
- α-Fe-Vapor (昇華/凝結線)
- γ-Fe-Vapor
- Liquid-γ-Fe
- γ-Fe-α-Fe (同素異形轉變線)
- δ-Fe-Vapor
- Liquid-δ-Fe
- δ-Fe-γ-Fe (同素異形轉變線)
在純物質的 PT 相圖中，三相點通常是固-液-氣三相共存的點，或是固體不同晶型與氣體共存的點。
仔細觀察 Fig. 1，圖中標示了 α-Fe (BCC), γ-Fe (FCC), δ-Fe (BCC) 三種固態相，以及 Liquid 和 Vapor。
圖中顯示了 α-Fe (BCC) 與 Vapor 的平衡線，α-Fe (BCC) 與 Liquid 的平衡線。
γ-Fe (FCC) 與 Vapor 的平衡線，γ-Fe (FCC) 與 Liquid 的平衡線。
δ-Fe (BCC) 與 Vapor 的平衡線，δ-Fe (BCC) 與 Liquid 的平衡線。
以及 α-Fe, γ-Fe, δ-Fe 之間的相變線。
然而，PT 相圖中的三相點是指三條相平衡線的交點。在 Fig. 1 中，我們可以觀察到：
- α-Fe (BCC) - γ-Fe (FCC) - Liquid 的三相點： 這是發生在約 1394°C 的固-固-液共存點，是 γ-Fe 轉變為 δ-Fe 的溫度。
- α-Fe (BCC) - γ-Fe (FCC) - Vapor 的三相點： 此點應存在，表示 α-Fe, γ-Fe, Vapor 三相共存。
- γ-Fe (FCC) - δ-Fe (BCC) - Liquid 的三相點： 這是發生在約 1538°C 的固-固-液共存點，即鐵的熔點。
- δ-Fe (BCC) - Liquid - Vapor 的三相點： 這是發生在鐵的正常沸點，即 Liquid 變成 Vapor 的點。
第 2 題
- (a) What is Ceramic Material? (20%)
(b) Please display three ceramic goods in our daily lives. (30%)
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
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此題考查陶瓷材料的基本定義以及日常生活中陶瓷製品的應用。
核心觀念：
陶瓷材料（Ceramic Materials）是無機、非金屬材料，通常由金屬和非金屬元素以離子鍵或共價鍵結合而成。它們通常具有高硬度、高熔點、優良的電絕緣性、耐腐蝕性等特性。
(a) 什麼是陶瓷材料？
陶瓷材料是無機、非金屬的固體材料，通常由金屬元素（如 Al, Si, Zr, Mg, Ca 等）和非金屬元素（如 O, N, C, B 等）透過離子鍵或共價鍵結合而成。它們的典型結構是氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等。
陶瓷材料通常具有以下特性：
- 高硬度與耐磨性： 由於其強的化學鍵結。
- 高熔點與耐高溫性： 能夠在極高溫度下保持結構穩定。
- 優良的電絕緣性： 絕大多數陶瓷是電的絕緣體，但也有部分是半導體或超導體。
- 優良的熱絕緣性： 導熱性相對較差。
- 耐腐蝕性： 對酸、鹼等化學物質的腐蝕具有很高的抵抗力。
- 脆性： 儘管硬度高，但通常延展性差，容易斷裂，即具有脆性。
常見的陶瓷材料包括氧化物陶瓷（如氧化鋁 Al₂O₃, 氧化鋯 ZrO₂, 氧化鎂 MgO）、非氧化物陶瓷（如碳化矽 SiC, 氮化矽 Si₃N₄, 碳化硼 B₄C）、玻璃（一種非晶質陶瓷）、水泥等。