材料

玻璃材料

透明性

玻璃具有優異的透明性，能夠透過自然光或人工光源，廣泛應用於建築窗戶、車窗與光學設備。

• 透光率：一般普通玻璃的透光率可達85%以上。
• 調節光線：經過加工可製成不同透光度的玻璃，如霧化玻璃或染色玻璃。

硬度與耐久性

玻璃硬度高且不易刮傷，但脆性使其易碎。經強化處理後可提高耐衝擊性與安全性。

• 莫氏硬度：普通玻璃約為5-6。
• 耐腐蝕性：對酸鹼具有良好的抗性，但氫氟酸例外。

熱穩定性

玻璃能承受一定範圍內的溫差，但快速升降溫可能導致破裂。特殊玻璃如耐熱玻璃（如硼矽玻璃）能適應極端溫度環境。

• 耐高溫性能：耐熱玻璃可承受高達500°C以上的溫度。
• 熱膨脹係數：普通玻璃的熱膨脹係數為(8-10)×10^-6/°C。

隔音與保溫性能

玻璃通過加工可提高隔音與保溫性能，例如中空玻璃或夾層玻璃。

• 中空玻璃：減少熱傳導與噪音傳播，適用於高能效建築。
• 夾層玻璃：內含膠層能有效阻隔聲波。

光學性能

玻璃能透過調整成分與加工方式獲得特殊光學特性，例如抗紫外線玻璃與低輻射玻璃。

• 防紫外線：可過濾99%以上的紫外線，保護室內物品。
• 低輻射（Low-E）玻璃：有效降低熱輻射傳遞，提升建築能效。

加工多樣性

玻璃可根據需求進行多種加工，滿足不同場景的應用。

• 鋼化處理：提升抗衝擊能力與安全性。
• 染色與鍍膜：實現裝飾與功能性結合，如隔熱或防眩光。
• 雕刻與切割：用於藝術設計與個性化裝潢。

功能性材料

定義

功能性材料是指具有特定物理、化學或生物功能，能對外界刺激（如光、熱、電、磁、壓力）產生特定反應，並應用於感測、能源轉換、儲能、生醫、電子等領域的材料。

分類

• 光電材料：能吸收、發射或轉換光能，如太陽能電池材料、LED螢光材料。
• 壓電材料：受機械壓力產生電能，或通電後產生形變，如壓電陶瓷。
• 熱電材料：溫差可轉換為電能，應用於發電與溫控。
• 形狀記憶合金：加熱後可恢復原始形狀，如NiTi合金。
• 超導材料：在低溫下呈現零電阻特性，如YBCO陶瓷。
• 磁性功能材料：對磁場有特殊響應，如磁阻材料、磁致伸縮材料。
• 生物功能材料：與生物體相容並具備特定功能，如藥物釋放材料、生物感測器。

應用領域

• 能源科技：太陽能板、熱電模組、鋰電池電極材料
• 電子元件：壓電感測器、非揮發性記憶體、光電開關
• 生醫科技：智能藥物輸送系統、生物可分解植入材料
• 智慧建築：可變透明玻璃、環境感測器
• 交通運輸：吸震減震材料、形狀記憶合金驅動器

特色與優勢

• 具有主動功能性而非單純結構支撐
• 可設計多重功能合一（如光催化+抗菌）
• 能與外界進行物理或化學互動
• 在新興科技如智慧穿戴、生物電子學中扮演關鍵角色

代表性材料與功能

高分子材料

定義

高分子材料是由大量單體透過共價鍵連接而成的聚合物，分子量高，具有多種力學與化學特性，廣泛應用於工業、醫療、建築與日常生活中。

分類

• 依來源分類：
  • 天然高分子：如纖維素、天然橡膠、蛋白質。
  • 合成高分子：如聚乙烯、聚苯乙烯、尼龍。
• 依性質分類：
  • 熱塑性塑膠：加熱可軟化重塑，如PVC、PE。
  • 熱固性塑膠：固化後不可再熱塑，如酚醛樹脂。
  • 彈性體：具高彈性變形能力，如合成橡膠。

結構與特性

• 鏈狀結構為主，可能為直鏈、支鏈或交聯型。
• 具良好的成型性、電絕緣性、耐腐蝕性與比重輕。
• 可透過添加劑改善強度、耐熱性、阻燃性等。

常見高分子材料

應用領域

• 包裝材料：薄膜、容器、保鮮膜
• 醫療設備：導管、義肢、生物可分解縫線
• 建築工程：管材、地板、防水膜
• 電子工業：絕緣材料、印刷電路板
• 航太與汽車：輕量結構部件、複合材料

奈米材料

奈米材料指的是在奈米尺度（1到100奈米）下擁有特殊物理和化學性質的材料。由於其獨特的尺寸，奈米材料展現出異於傳統材料的特性，例如更高的強度、導電性、催化活性及光學特性，因此在各領域中有著廣泛的應用前景。

奈米材料的分類

• 奈米粒子：包括金屬奈米粒子（如金、銀）、半導體奈米粒子（如量子點）及磁性奈米粒子等。
• 奈米薄膜：薄膜厚度在奈米級別，常用於電子元件和表面塗層。
• 奈米線與奈米管：例如碳納米管及奈米線，因為高強度及導電性，應用於能源及電子設備。
• 奈米複合材料：由不同奈米材料混合組成，兼具各種材料的特性，廣泛應用於生物醫學和環保材料。

奈米材料的應用

奈米材料的特殊性質使其在各領域都有豐富應用。例如：

• 電子技術：利用奈米材料來製作更小、更快速的電子元件。
• 醫學：奈米材料可用於藥物遞送、癌症治療及生物成像，提升醫療技術。
• 能源：在太陽能電池、燃料電池及鋰電池中應用奈米材料以提升能源效率。
• 環境保護：奈米材料用於水處理、空氣淨化及有害物質去除，改善環境品質。

自修復材料

石墨烯

超疏水材料

光觸媒

什麼是光觸媒？

光觸媒是一種在光照下產生催化反應的材料，最常見的光觸媒材料是二氧化鈦（TiO₂）。當光觸媒在紫外線或可見光的照射下，表面會產生強氧化力，能有效分解有機物、細菌及病毒，達到淨化空氣、除臭及抗菌的效果。

光觸媒的原理

當光觸媒暴露於光線（通常是紫外光）時，其表面的電子會被激發並與空氣中的水分產生自由基，這些自由基具有強氧化能力，能分解空氣中的污染物或殺死細菌。

光觸媒的應用

• 空氣淨化：光觸媒可以用於空氣濾清機或塗覆於牆面上，以分解空氣中的有害物質，如甲醛、苯等。
• 抗菌除臭：光觸媒塗層可以應用於廁所、廚房、垃圾桶等區域，有效抑制異味並殺菌。
• 水處理：光觸媒在污水處理中可以用於去除水中有機污染物，提升水質。
• 自潔塗層：在建築外牆上塗覆光觸媒可以達到自潔效果，減少污垢堆積。

光觸媒的優勢與挑戰

光觸媒的優點在於其環保性和持久性，無需額外的化學品即可實現淨化功能，且只需光源即可持續作用。然而，由於光觸媒大多數需要紫外光來激活，因此在室內應用時，通常需要配合紫外光燈或增強其在可見光下的活性，以提高使用效果。

鋁蜂巢

結構與特性

鋁蜂巢板由上下兩層鋁合金面板與內部蜂巢狀結構組成，具有輕量化與高強度的特性。

• 高強度：蜂巢結構提供優異的抗壓與抗彎能力。
• 輕量化：比傳統實心材料更輕，適合需減輕重量的應用。
• 耐腐蝕性：鋁合金材料本身具有良好的耐候性與防鏽性能。
• 隔音與隔熱：內部蜂巢結構有效降低噪音與熱傳導。
• 環保可回收：100%鋁材可回收利用，符合可持續發展要求。

應用領域

• 建築裝飾：外牆、天花板、隔間牆等，提高建築美觀與耐用性。
• 航空航太：飛機內部結構、地板與艙壁，減輕重量並增強結構強度。
• 交通運輸：高鐵、地鐵、汽車內飾與車身板材，提高燃油效率與安全性。
• 家具製造：高端辦公桌、展示架、門板等，兼顧美觀與實用性。
• 工業用途：防震工作台、潔淨室牆板、機械設備外殼等。

與其他材料的比較

安裝與維護

• 安裝方式：可使用機械鎖扣、膠黏或焊接固定，根據應用需求選擇適合方式。
• 日常清潔：使用中性清潔劑與軟布擦拭，避免使用酸性或鹼性清潔劑。
• 定期檢查：檢查固定部件與邊緣密封情況，確保穩固性與耐用性。

磁性材料

分類

• 順磁性材料（Paramagnetic）：對外加磁場有微弱吸引力，磁化率為正但很小，如鋁、鎂。
• 抗磁性材料（Diamagnetic）：對外加磁場產生排斥力，磁化率為負，如銅、金、石墨。
• 鐵磁性材料（Ferromagnetic）：可被強烈磁化，並能長時間保持磁性，如鐵、鈷、鎳。
• 亞鐵磁性材料（Ferrimagnetic）：內部磁矩不完全抵消，仍具有總磁性，如鐵氧體。
• 反鐵磁性材料（Antiferromagnetic）：相鄰原子磁矩方向相反並抵消總磁性，如氧化錳。

磁性起源

磁性來自電子的自旋與軌道運動。當多數電子自旋方向一致時，材料會展現出宏觀磁性。原子間交互作用與結構排列也會影響磁性表現。

磁滯與磁化曲線

鐵磁性與亞鐵磁性材料常出現磁滯現象，即在去除外加磁場後仍保持部分磁性。磁滯迴線顯示材料磁化與退磁的過程，其中的關鍵參數包括殘磁（Remanence）與矯頑力（Coercivity）。

應用

• 電機與變壓器核心材料（矽鋼、鐵氧體）
• 儲存媒體（硬碟、磁帶）
• 永磁材料（釹鐵硼、鋁鎳鈷）
• 感測元件（霍爾感測器、磁阻元件）
• 醫學影像（MRI使用超導磁體）

常見材料