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材料人文

材料科学与人类生活


人类的生活演进,除了思想观念之外,物质的发明扮演着相当重要的角色。自从远古时代人们使用石器开始,材料就和人类生活结下不解之缘。再经过青铜器时代,铁器时代而到高温超导体出现的今日,材料无不日新月异地被发明与改革。人们也因为材料的进步而改善了生活的状况。

农业时期,科技不发达,一切以手工做事。渐渐地,机械的发展使人类有更快速、简便的制造工具。工业时期,机械取代了手工,劳力需求也减少;到了现在,劳力密集转换成技术密集,民生消费产品,尤其在娱乐生活方面更为人们所重视。因此,在这一连串产业型态的转变下,材料的发展便扮演了极重要的角色,同时也显示出材料与人类生活的密切关系。

材料的沿革与发展

从历史上的旧石器演进到新石器,再由新石器进步到现今高度科技发达的世界,材料一直在不断地进步发明中,亦可以说是人类文明的代表。所以,可藉由某一时期所用的材料去判断那时期的科技发展情形或者是人类生活的状况。而在今日的社会,材料科学的发展更显出其重要性。例如现今大楼中,纷纷要求「防火」建材,可知材料科学亦在人类生活的安全上占有不可忽视的地位。又如电子组件的演进,从体积非常大的真空管、晶体管进步到集成电路(IC化),不仅为现代的科技另造高峰,同时也使得电器用品趋于小型化、轻巧化、功能强、易于携带等种种好处。所以说人类的生活确实是与材料科学有关。

随着科技日新月异,许多新科技发展的材料愈来愈常应用于人类日常生活之中。因为人们日常生活中所需用到的种种物品皆是由许多不同材料所组成,可能是传统的,也可能是新研发出来的。但不论是何种材料,其优缺点、好与坏,都直接或间接地影响到我们的生活。而除了日常生活,在国防或科技方面,材料科学亦为一不可忽视的重要课题。另外在医学工程及环境保护上,材料科学的发展亦对其有极大的助益。至于在航天科技及信息网络的应用上,材料科学的发展更是占有举足轻重的地位。

大致而言,材料的发展可分为三个时期:

(一)分离型:材料单纯而简单,可直接视为单一材料,只对本身的特性加以应用,而材料的组成只有一种,不掺杂任何材料,即金属是金属,陶瓷就是陶瓷。

(二)混合型:是由二种或二种以上的材料所组成,应用彼此间特性的相结合而发展出的新产品。

(三)融合型:是由多种材质合成在一起,已经不能分辨异种物质的材料,是一创造发明出的新材料。

由于材料发展不断推陈出新,各种应用更是处处可见材料的踪影,而且对人类生活的影响更是深远。所以,材料科学不仅仅是一门学问而已,它的发展与我们的生活息息相关且密不可分。

应用方面

材料的应用非常广泛,且对于人类的生活影响也非常深远。举凡日常生活的食、衣、住、行、育、乐、医疗、通讯以至军事国防及太空发展……等等,无一不与材料有关。以下便逐一分类说明材料对人们生活的影响及其应用的层面:

(一)在日常生活方面:

生活中食、衣、住、行、育、乐等用品和我们所使用的材料有着很大的关系;如衣服的制造原料原本是取之于天然的丝棉,但是由于耐龙、特多龙及人造纤维的发明使得衣服的质料愈加地舒适与保暖。在房屋建筑上,防火建材的研发使得我们住得更安心,另外建筑物的防震设计越来越坚固,使得我们生命获得更好的保障。碳纤维材质应用于制造脚踏车,使原本已趋向夕阳工业的脚踏车工业又变得缤纷灿烂;而未来磁浮列车的开发可让我们的交通更安全与快速。在娱乐方面,视听产品光盘CD(CompactDisc)、影碟LD(Laser Disc)等不断地发展,使得我们的生活更享受。

(二)在家电用品方面:

由于半导体工业的发展,使电子材料从原本体积大的真空管时代经过了晶体管到现在的集成电路(IC化)时代,不但使体积大大地缩小,附加的功能也跟随之提高。轻薄化、小型化、速度快及易于携带等功能,改善了以前笨重、功能少且不易搬运等问题。如计算机的发展过程中由原本体积庞大到要一个房子才容纳得下,进展到可放置于桌上的个人计算机或笔记型计算机,且功能更强,执行速度更快。又如电饭锅、洗衣机都有Fuzzy的功能,使用的过程更加人性化。音响设备,如收音机、随身听的发明,使得我们易于携带且不再局限于只能在室内使用。液晶显示材料的发展增加了视觉的效果。而可录式CD材料的研发,因其具有高密度、低损耗等优点,所以广受开发制造。

(三)在通讯方面:

由于科技及信息快速地进步发展,信息的获得可藉各种通讯设备来传达,如卫星通讯、网络联机、无线与有线通讯及光纤通讯的开发应用皆使信息传播得更快速、更精确。而这些皆有赖于材料适当地开发及运用。

(四)在医疗方面:

人类生、老、病、死少不了就医及身体健康的维护,因此各种生化、生医仪器及传感器便因应而生,如检测人体内之血液,血压,pH值……等。另外激光技术应用于医学上的切割、开刀手术;陶瓷做的假牙、人工骨、人工关节及齿列矫正的材料皆有进展。而由于传感器应用于医学上的侦测,能使病人的检测更便捷、更精准以提高医疗效果,另外也由于材料的改进发明使得人工义肢、器官等更能与人体适应使病人感到更舒适,同时也延长了人类的寿命。

(五)在环境保护方面:

由于人口与日俱增,可用的土地及资源有限,为了要让地球生生不息,就必须发展环境材料及污染传感器以维护环境品质。环境材料是指对资源和能源消耗最少、生态环境影响最小、再生循环利用率最高、或可分解使用的具有优异使用性能的新型材料。所以废弃物的回收再利用更是值得开发,如再生纸,铝制汽车……等。至于环境品质检测上,如气体传感器可用来测定有毒气体和汽机车废气排放量及工厂的排气,另外水质污染传感器及噪音分贝机的发明,都能使我们迅速得知周遭环境的品质。如去年日本地铁的毒气事件中,若事先有装设气体传感器就不会造成如此大的伤亡了。

(六)在能源方面:

由于煤、石油、天然气的发现,使得人类的能源问题暂时获得解决。但许多发展中国家正相继进入经济高速增长期,对资源、能源的需求将进一步遽增,由此造成的资源能源短缺问题会日益严重。预计到二十一世纪末,将会出现石油、天然气等石化燃料的枯竭。而如何去找寻一个替代品是目前相当重要的课题,所以现在正极力开发运用太阳能、水力、风力来发电以获得能源。而太阳电池便是利用非晶硅之类的材料做成的,太阳光电能所提供的不仅是能源,并且对环保颇有贡献,在有限的传统能源及环境污染问题日趋严重的情况下,开发并使用无污染的太阳光电能乃势在必行。

(七)在军事国防方面:

军事武器日新月异不断进步,如何发展出更安全、更快速、更精确的武器,是国防科技的重点。而国防利技的发展已使得战争不再像以前的肉搏战了。如红外线光罩的发明,因其能避免受空气中水分子、一氧化碳的吸附,以及受悬浮粒子的撞击而损耗,所以更能精准侦测以防卫国家。而在雷达侦测方面,更为国家安全提供很好的预警。

(八)在太空发展方面:

飞机的发明使得我们往来各地更加便捷,而航天飞机的发明使我们能对外层空间加以探测,卫星的发展更为地球表面的探测以及信息的传递提供了很好的中继站。而这些都是由于材料发展的结果,如铝合金、钛合金的轻巧耐高温等优良特性,已都应用于航天工业上。

结语

总之,材料科学应用的范围实在太多了,从日常生活的食、衣、住、行到军事国防,无不与材料发生关系。而除了上述的应用之外,目前更积极研发新材料,如高温超导材料、钻石膜材料以及附有人工智能的材料,而新材料势必将主导未来的世界。

材料是工业的基础,材料科学的发展是具前瞻性的,是走在时代的尖端,它决定了人类的生活方式,为人类的未来生活画出蓝图,使人类的生活品质不断地提升。所以说材料科学对人类生活的影响甚巨,以前如此,未来更是如此。




发布时间:2009-06-19 浏览:

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