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Corrosion Prevention Laboratory. Since 1959. Department of Materials science and engineering National Cheng Kung University
材料的生、老、病、死與輪迴
蔡文達 教授
國立成功大學材料科學及工程學系
廈門大學能源學院
2014/11/17
蔡文達 教授
國立成功大學材料科學及工程學系
國立科學工藝博物館
2015/04/12
103-104年科技部 大眾科學教育系列專題講座
1
「人」的生命週期
2
大綱
• 材料的應用（材料與人類文明）
• 亙古與未來
• 上天下海
• 萬里長城與微奈米元件
• 地球的資源
• 材料的「生」
• 材料的「老、病」
• 材料的「死」（退役、失效）
• 材料的「輪迴」（資源回收與再生）
• 材料與藝術 3
材料與人類文明（亙古與現代）
4
材料與人類文明（上天與下海）
5
材料與人類文明（萬里長城與微奈米尺寸）
6
Corrosion Prevention Laboratory. Since 1959. Department of Materials science and engineering National Cheng Kung University
材料的種類
金屬材料 • 鋼鐵材料
• 鑄鐵 • 碳鋼 • 合金鋼 • 不銹鋼等
• 非鐵材料 • 金、銀、銅、錫、鉛、鋁、鎂、鈦等
非金屬材料 • 陶瓷材料 • 有機材料 • 複合材料等
其他
7
材料的種類（功能）
•結構材料
•電子材料
–導電絕緣
–半導體等
•光學材料
•生醫材料等
8
地球的資源
9
地殼主要元素含量
10
地殼元素含量
11
地表元素含量
•Over 10 wt%
•1-10%
•O(46.6), Si(27.7)
•Al(8.1), Fe(5.0), Ca(3.6), K(2.6), Na(2.8), Mg(2.1)
12
地表元素含量（續）
•0.1-1%
•0.01-0.1%
•0.001-0.01% (10-100ppm)
•C, H, Mn, P, Ti
•Ba, Cl, Cr, F, Rb, S, Sr, V, Zr
•Cu, Ce, Co, Ga, La, Li, Nb, Ni, Pb, Sn, Th, Zn, Yt
13
地表元素含量（續）
•0.1-1%
•0.01-0.1%
•0.001-0.01% (10-100ppm)
•C, H, Mn, P, Ti
•Ba, Cl, Cr, F, Rb, S, Sr, V, Zr
•Cu, Ce, Co, Ga, La, Li, Nb, Ni, Pb, Sn, Th, Zn, Yt
14
地表元素含量（續）
•1-10 ppm
•0.1-1 ppm
•0.01-0.1 ppm
•0.01-0.001 ppm
•As, B, Br,Cs,Ge, Hf, Mo, Sb, Ta, U, W, and most the rare earths
•Bi, Cd, I, In, Tl
•Ag, Pd, Se
•Au. Ir, Os, Pt, Re, Rh, Ru
15
材料的誕生與製造
•礦石(Ore)
•採礦
–露天，地下
•選礦
•提煉
–火（高溫）冶金(Pyrometallurgy)
–水（濕法）冶金(Hydrometallurgy)
16
礦物 (Minerals)
17
採礦
澳洲西澳省卡爾古麗的「超級陷阱」（The Super Pit）
地下礦場
金瓜石13層選礦場 海底採礦
18
19
冶煉 -- 火冶金
20
不銹鋼的生產流程
21
濕法冶金 -- 電解銅
22
濕法冶金 -- 電解鋁
23
合金
取代型 間隙型 24
材料（鋁金屬）製造與應用
25
材料（鋁金屬）製造與應用
26
陶瓷與金屬元件
27
半導體、通訊用途
28
能源、生醫用途
29
30
材料的老與病
•基因
•操勞過渡
•環境污染等
31
材料的病因
• 機械因素
– 破斷
– 磨耗
– 疲勞等
• 化學及環境因素
– 腐蝕
– 材質改變等
32
發電機渦輪葉片的腐蝕疲勞
33
腐蝕對工業安全以及環境污染影響的實例
•氣體儲槽腐蝕 (CO2 gas storage tank corrosion and explosion)
•瓦斯管腐蝕 (Gas pipeline corrosion)
34
•工業區的腐蝕與安全 (Safety of Industrial Parks)
腐蝕對工業安全以及環境污染影響的實例
2010/07/26
某工業區近年重大工安事件
35
熱交換管應力腐蝕破裂
36
自來水管的漏水
37
生活中的腐蝕
38
材料的病症
• 內科
• 皮膚科
• 骨科
39
材料保健
基因工程
注重保養
環境保護
瞭解材性
材料醫生
40
材料的死亡（失效）
41
材料回收與環保
42
金屬回收 -- Recycling
43
廢料回收
手機回收
44
材料（資源）再生
45
腐蝕廣論十首詩 肖紀美院士-- 1920年12月7日－2014年4月23日
北京科技大學教授
（一）金屬腐蝕 – 頑童藉礦石，冶煉化
成寶。
– 巧製成器皿，人類齊誇好。
– 天下至柔水，攻堅誰比高？
– 慈母遣水兵，追回銹蝕投懷抱。
（二）政經腐敗 – 金錢如聖水，覆舟載
船巧。
– 鬼谷揣摩術，仍需財貨飽。
– 孫吳兵法商，聖智用間妙。
– 說客間諜輩，腐敗人才無節操。
46
腐蝕廣論十首詩（續）
（三）自然奇景 – 盤古開天地，山川風
雨雕。
– 有理復有情，江山何多嬌。
– 腐蝕創奇景，遊客齊讚穹。
– 宇宙風化事，誰是導演誰知曉？
（四）凡人存亡 – 墮地呱呱嚎，飽食安
睡好。
– 中壯勇拼博，曾有幾歡笑？
– 磨損又疲勞，腐蝕促催老。
– 儒子如礦石，慈母思念回懷抱。
47
腐蝕廣論十首詩（續）
（五）大廈傾倒 – 雕樑巨柱新，大廈何
風騷。
– 蟲食上樑歪，風化鋼筋凋。
– 腐蝕又腐敗，大廈易傾倒。
– 狠心勿忌醫，延年益壽晚悲悼。
（六）醫治預防 – 宇宙與人世，共驚腐
蝕妙。
– 世上有情人，離別悲難消。
– 諸法因緣起，環境慎理調。
– 強身優結構，延年益壽醫護好。
48
腐蝕廣論十首詩（續）
（七）英雄盡折腰 – 道理互通融，人事與
材料。
– 凡人驚奇景，出沒有共道。
– 醫防人所望，悲傷勿早夭。
– 宇宙腐蝕事，無數英雄盡折腰。
（八）回皈何必傷 – 金屬腐蝕自然勢，政
經腐敗社會傷。
– 自然奇景宇宙創，凡人回皈何必傷？
– 萬年地層顯滄桑，大廈自毀太匆忙。
– 覆巢之下無完卵，眾志成城齊救亡。
49
腐蝕廣論十首詩（續）
（九）諸法因緣起 – 相逢聚情難離別，延
年益壽人共望。
– 佛語諸法因緣起，英雄折腰覓預防。
（十）生物腐蝕 – 人類腐食壯成長，美
食腐臭非人望。
– 霉菌食粱成美酒，李白斗酒詩豪放。
– 稀散寶礦何回收？細菌選冶有所望。
– 白色污染逞剛強，降解霉菌馳疆場。
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材料與藝術 越王句踐劍
• 越王勾踐劍於1965年12月在湖北省江陵縣望山1號楚墓出土，1999年中國國慶日後藏於湖北省博物館。
• 此劍雖已深埋地底約2400年，卻不見私毫鏽蝕痕跡。
• 劍身上明顯可見「戉王鳩淺」及「自乍用鐱」兩行八個字的鳥篆銘文，請教於考古學家兼古文字學家的郭沫若，經其研究後，譯出其意為「越王勾踐，自作用劍」，原來這就是春秋時期，以「臥薪嚐膽」聞名於世的越國之君勾踐的劍。
• 劍身整體經過硫化處理，耐腐蝕性和強韌程度得到極大地提高，說明中國古人在金屬的冶煉和表面處理方面的技術達到了極高的水平。
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腐蝕工藝 大阪大學風車（耐候鋼）
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材料與藝術 楊英風不銹鋼雕塑
• 楊英風 （1926年12月04日－1997
年10月21日） 是知名的雕塑家。出生於台灣宜蘭縣，早期作品有人文主義的風格，後期則以現代主義的抽象組合造型、不銹鋼材質和中國式的藝術思維聞名於世。
• 楊英風晚期的「不銹鋼系列」是其創作生涯中的成熟期，寓中國生態美學及佛家哲思於先進、現代的材質，以及簡潔的抽象造型中。單純、光潔如宋磁的不銹鋼鏡面反射，將周遭環境與觀者納入作品中，或以圓弧、曲線的視點柔化環境的氛圍，使作品本身圓融具足、與環境、觀者相諧，以達「天人合一」之境。
A:飛龍在天
B:厚生
C:日新又新
D:輝耀
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材料與藝術 楊英風不銹鋼雕塑（續）
楊英風作品：和風
楊英風作品：東西門
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材料科技 古老乎？新穎乎
雲紋銅禁 – 春秋時代
河南博物館
（脫蠟法製造—高級材料科技）
曾侯乙編鐘 – 春秋時代
湖北博物館
55
Thank you for your attention.
Professor Wen-Ta Tsai Department of Materials Science and Engineering National Cheng Kung University
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敬請指教！ 56
