113 年 國立成功大學口腔醫學研究所丙組在職生《材料科學》

核心觀念與解題方法

本題是材料科學名詞解釋題，涵蓋金屬合金、晶體缺陷、相圖與熱處理、陶瓷複合材料、腐蝕、半導體及顯微分析。作答時應針對每個名詞交代其定義、形成或作用機制，以及重要性質或應用；遇到相圖定律，則寫出相分率與相圖線段的關係。

各名詞詳解

(a) Alloy（合金）

合金是由兩種或兩種以上元素組成、且至少一種元素為金屬的材料。合金可形成固溶體，也可由多種相或金屬間化合物組成。加入合金元素能調整強度、硬度、耐蝕性、導電性等性質，例如不鏽鋼加入鉻以提高耐蝕性。

(b) Band gap energy（能隙能量）

能隙能量是價帶頂端與導帶底端之間的能量差，記為 $E_g$。電子必須獲得至少相當於能隙的能量，才能從價帶躍遷至導帶並參與導電。導體的能帶通常重疊或部分填滿；半導體能隙較小；絕緣體能隙較大。

(c) Ceramic-matrix composite（陶瓷基複合材料）

陶瓷基複合材料以陶瓷作為基材，並加入纖維、晶鬚或顆粒等增強相。陶瓷基材提供耐高溫、耐磨與耐化學腐蝕性；增強相則可改善韌性、強度或抗熱震能力。裂縫偏轉、纖維拔出等機制能吸收裂縫擴展所需能量，降低陶瓷脆性破壞的風險。

(d) Cold working（冷加工）

冷加工是在低於材料再結晶溫度的條件下進行塑性變形，例如冷軋、抽線與冷鍛。變形會提高位錯密度，使位錯彼此交互阻礙，因此材料的強度與硬度上升，延性通常下降，並可能產生殘留應力。後續退火可藉由回復、再結晶等過程降低加工硬化。

(e) Dislocation（位錯）

位錯是晶體中的線缺陷，也是金屬發生塑性變形的重要載體。外力使位錯移動時，晶體可逐步滑移，所需應力遠低於整個原子面同時移動所需的應力。位錯常分為刃型、螺旋型與混合型；位錯密度增加或位錯移動受阻，通常會使材料強化。

(f) Edge dislocation（刃型位錯）

刃型位錯可視為晶體中多出一個未完整延伸的半原子面，其終止邊界就是位錯線。刃型位錯的柏氏向量與位錯線互相垂直。位錯附近的晶格會受到壓縮與拉伸，因而形成彈性應變場。

(g) Edge dislocation（刃型位錯）

本小題與 (f) 重複。刃型位錯的辨認重點仍是「多出半個原子面」以及「柏氏向量垂直於位錯線」。刃型位錯在外力作用下沿滑移面移動，可造成晶體塑性變形。

(h) Frenkel defect（弗倫克爾缺陷）

弗倫克爾缺陷是一對點缺陷：一個離子離開原本的晶格位置，進入間隙位置，因而同時形成一個空缺與一個間隙離子。這種缺陷不改變晶體的整體化學計量，也不造成淨電荷改變。常見於尺寸較小的陽離子容易移入間隙位置的離子晶體。

(i) Glass ceramic（玻璃陶瓷）

玻璃陶瓷是先製成玻璃，再經適當熱處理，使玻璃內受控制地成核與結晶而形成的材料。其微結構由大量細小晶相與殘留玻璃相組成。相較於一般玻璃，玻璃陶瓷通常具有較高強度、耐熱性或耐磨性；性質取決於晶相種類、晶粒大小及結晶比例。

(j) Galvanic corrosion（電偶腐蝕）

電偶腐蝕發生於兩種電位不同的金屬彼此電性接觸，且同時暴露在電解質中時。較活潑、電位較低的金屬成為陽極，發生氧化溶解；較貴重的金屬成為陰極，受到保護。陽極面積相對較小、陰極面積較大時，陽極的局部腐蝕速率會特別高。

(k) Level rule（槓桿定律，亦稱相分率定律）

在二元相圖的兩相區內，可用槓桿定律由等溫連線求各相的質量分率。假設合金平均成分為 $C_0$，兩相成分分別為 $C_\alpha$ 與 $C_\beta$，則：

$$W_\alpha = \frac{C_\beta-C_0}{C_\beta-C_\alpha}$$ $$W_\beta = \frac{C_0-C_\alpha}{C_\beta-C_\alpha}$$

其中 $W_\alpha$、$W_\beta$ 分別為兩相的質量分率，且 $W_\alpha+W_\beta=1$。記法要點是：某一相的分率，取對側線段長度除以整條連線長度。若使用質量百分比成分，計算所得也是質量分率。

此題考驗對晶粒尺寸與材料強度之間關係的理解，主要涉及Hall-Petch效應。

金屬材料的強度與其晶粒尺寸密切相關。當金屬具有較小的晶粒尺寸時，其強度通常會比具有較大晶粒尺寸的金屬更高。這種現象主要可以從以下幾個方面解釋：

1. 晶界作為位錯運動的障礙: 在金屬材料中，塑性變形主要是通過位錯（dislocation）的滑移來實現的。晶界（grain boundary）是相鄰晶粒之間的分界面，它是一個原子排列不規則的區域。當位錯在晶粒內部滑移時，遇到晶界就會受到阻礙，需要額外的能量才能跨越晶界進入下一個晶粒。晶粒越小，意味著晶界越多，位錯滑移所受到的總體阻礙就越大，因此材料的屈服強度和抗拉強度就越高。