TITLE: 週期表元素-1 AUTHOR: QUENCY DATE: 02/06/2013 07:00:42 AM CATEGORY: 設計理論 STATUS: publish ---- BODY:
一、週期表金屬元素概說
現代的週期表由俄羅斯化學教授德米特里‧門得列夫於1869年創造，用以展現當時已知元素特性的週期性。自此，隨著新元素的探索發現和理論模型的發展，週期表的外觀曾經過改變及擴張。通過這種列表方式，門捷列夫也預測了一些當時未知元素的特性，以填補週期表中的空格。其後發現的新元素的確有相似的特性，使他的預測得到證實。
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http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%83%E7%B4%A0%E9%80%B1%E6%9C%9F%E8%A1%A8
http://cc2.smhs.hlc.edu.tw/nano/95race_nanoweb/type-4.htm
Online Materials Information Resource
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鋰(音同：里)，Lithium [ˋlɪθɪəm]，Li
鋰是一種柔軟的，銀灰色，極易反應的鹼金屬元素。鋰的密度非常小，僅有0.534g/cm3，為非氣態單質中最小的一個。鋰在空氣中易被氧化，所以須貯存於固體石蠟或惰性氣體中。
鋰離子電池(Li-ion)：1991年索尼(Sony)公司發佈首個商用鋰離子電池。1992年Sony成功開發出實用化的鋰離子電池。後來，索尼又發明了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。習慣上，人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，但這兩種電池是不一樣的。現在鋰離子電池已經成為了主流。隨著數位產品如手機、筆記型電腦等產品的廣泛使用，鋰離子電池以優異的性能在這類產品中得到廣泛應用，並在近年逐步向其他產品應用領域發展。
因具高工作電壓、高放電電容量、工作電壓平穩、循環壽命長、無記憶效應等優點。(http://cc2.smhs.hlc.edu.tw/nano/95race_nanoweb/3.htm#nano)
新世代鋰離子電池─磷酸鋰鐵電池產業（LFP，Lithium Ferrous Phosphate）的美國A123 Systems、台灣立凱(Aleees)和加拿大Phostech Lithium等業者，快速從全球創投和其他資金來源募來超過3億美元的資金。
=> 鋰離子電池拆解
=> 電池基本常識
(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%94%82)
(http://page.renren.com/601017011/photo/6123279968)
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鈹(音同：皮)，Beryllium[bɛˋrɪlɪəm]，Be
是一種銀白色的鹼土金屬，是最輕的硬金屬。鈹及其化合物都有劇毒。它的含量仍然相對稀少，只佔地球上所有元素的第32位。
鈹和鋁有諸多類似之處。鈹表面會生成緻密的氧化膜(生成的氧化鈹的體積大於鈹的體積，使鈹被保護)。在海水中可保持40年以上，是海底電纜中繼器構造體不可替代的材料。氧化鈹可用於高溫熱電偶(溫度儀探針)的耐熱填充物。
鈹比鋁具有更高的導熱性，故被大量運用在製造太空船、飛彈、飛機等用途上。
加少量(0.5～3.0%)鈹於銅中，可得既耐腐蝕又極堅韌的合金，稱為鈹青銅(BeCu, beryllium bronze)，簡稱鈹銅(青銅即是銅鍚合金, bronze)。鈹銅有時會被較為安全的銅合金所代替使用，例如Cu-Ni-Sn鎳青銅。
鈹銅為一種非磁性、無火花之高強度材料，所有銅基合金中最高強度(達140kg/mm2)。擁有優異的金屬加工性、成型性等性質，在有害環境、樂器(手鼓、三角鐵)、精密量測裝置、彈藥與航太上有許多的應用。
=> GOOGLE 鈹銅
鈹青銅合金被用於製造在高溫下工作的彈簧，加1%鈹於鋼中，可製得在紅熱狀態下仍保持良好的彈性和韌性的彈簧。可用磷青銅取代其彈簧用材。
高導熱鈹銅(Cu-Co-Be)為c17500，熱導係數為240 W/m-K；高拉力鈹銅(Cu-Be)為c17200，熱導係數為105 W/m-K。
由於鈹銅不會引起火花、強度高以及非磁性，常被用來製作可在易燃易爆的蒸氣或氣體環境中的機具，例如應用在石油鑽探設備之上。鈹銅可符合ATEX爆炸性環境指令(ATEX directive)中Zone 0、Zone 1與Zone2之需求，各種機具之形式悉皆可以採用，包括螺絲起子、鉗子、扳手、冷的鑿子與錘子，另一可供選擇的不使機具發生火花的材料為鋁青銅(aluminum bronze)。相較於不鏽鋼，鈹銅機具更加昂貴，強度稍遜，磨耗的速度也更快，然而，可在有害的爆炸性環境中操作之優點，似乎比它的缺點來得更有價值。
高導電鈹銅合金含有達0.7%鈹，並添加一些鎳與鈷。其熱導率高於鋁，僅略為低於純銅，通常使用在連結器的電氣接點之用。
廣泛適用於塑膠注塑成型模具的內鑲件、模芯、壓鑄衝頭、熱流道冷卻系統、導熱嘴、吹塑模具的整體型腔、汽車模具、磨耗板等。
(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%8D)
(http://handapon.wordpress.com/2011/12/27/%E9%88%B9%E9%8A%85%EF%BC%88beryllium-copper%EF%BC%89/)
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硼(音同：朋)，Boron [ˋborɑn]，B
結晶形硼是有光澤的暗灰色晶體、質硬易脆的半金屬。硬度與金剛石相近。
硼玻璃(borosilicate glass)便是以三氧化二硼(B2O3)作為主要助熔材料，三氧化二硼可以使玻璃具有低膨脹係數、化學耐久性、及耐熱性。硼玻璃的組成中，二氧化矽約佔百分之80.5、三氧化二硼約佔百分之11.8。硼玻璃之膨脹係數約為32.5，較鈉玻璃(90-100)與鉛玻璃(104)都來的小許多，在承受範圍內比較可以耐稍快速的升降溫，因此常用於化學儀器如燒杯、試管等的製作。美國的康寧(Corning)Pyrex，即是一種硼玻璃於日常生活器皿的運用。(http://taiwanpedia.culture.tw/web/content?ID=13553)
=> 手機，康寧的Corning® Gorilla® Glass；LCD，青板鈉鈣玻璃(Soda-Lime Glass)、白板無鹼矽酸鋁玻璃(Alumino silicate glass)
=> http://210.60.224.4/ct/content/1981/00070139/0008.htm，玻璃化學
氮化硼(BN)氮化硼和碳是等電子的，並和碳一樣，氮化硼是多形的：其中一形體類似於鑽石而另一個則類似於石墨。類似於鑽石的形體是現時所知的幾乎最硬的物質。
氮化硼的熱傳係數為1500 W/m-K。
=> 氮化矽，生活化的結構陶瓷
立方氮化硼(CBN)用在切割工具的切割頭、工業鑽磨工具、不導電的散熱片材料。可以製成纖維的形態，由於和碳纖維結構相似，氮化硼纖維也被稱爲「白碳纖維」，可作為複合材料的補強，基質材料包括有機樹脂、陶瓷與金屬。
立方氮化硼切削刀頭
=> http://baike.baidu.com/view/422806.htm，PCBN
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碳(音同：探)，Carbon [ˋkɑrbən] ，C
碳是一種非金屬元素，透明無色(鑽石)以及黑色 (石墨, graphite [ˋgræfaɪt] )。是煤、石油、瀝青、石灰石和其它碳酸鹽以及一切有機化合物的最主要的成分，在地殼中的含量約0.027%。碳是占生物體乾重比例最多的一種元素。碳還以二氧化碳的形式在地球上循環於大氣層與平流層。
與世人的認知相矛盾，實際上，鑽石並非特別稀有、極緻美麗、恆久長遠，這些都是鑽石公司的廣告用語所創造出來的。氧化鋯(zirconia)立方體或碳化矽(Silicon Carbide)水晶體，與鑽石同樣是光彩炫麗。
鑽石的熱傳導係數為2000 W/m-K。所有鑽石都是傳熱高手。金屬導電和傳熱靠的是外圍電子，但鑽石的外圍電子都用在鍵結上，沒有多餘的外圍電子可用來導電，因此 IIb 以外的鑽石都不導電。鑽石傳熱靠的不是外圍電子，而是聲子（phonon）。當物質的成分越單純、結構越簡單、雜質越少時，聲子運動就越快，傳熱速率也就越快。
石墨的熱傳導係數單向是2000 W/m-K，因為sp2鍵結的關係，垂直方向的傳導係數是水平方向的3倍。=> http://industrial.panasonic.com/ww/news_e/nr200510MC101_e/nr200510MC101_e/373em.pdf
=> http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=12557&ctNode=1104，了不起的結晶—金剛石
=> 奈米碳管(Carbon nanotube)
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鎂(音同：美)，Magnesium [mægˋniʃɪəm] ，Mg
一種銀白色的鹼土金屬。鎂是在地球的地殼中第八豐富的元素，約佔2％的質量，亦是宇宙中第九多元素。鎂是用途第三廣泛的結構材料，僅次於鐵和鋁。
工業運用多為鋁鎂合金，含5%-30%鎂的鋁鎂合金質輕，有良好的機械性能，廣泛在航空、太空上使用。常用於需重視散熱的電子器材。它普遍用於手提電腦的外殼、數位單眼機機身。
常用的結構合金中元素比重：鋁(2.7)，鎂(1.8)，鈦(4.5)，塑膠(1.1~1.7)，鐵(7.9)，銅(8.9)，鋅(7.1)，以支撐力較強的塑膠件來說，比重接近1.7；在比重接近的情況下，鎂鋁合金提供較佳的支撐力，相較起來鋁鎂合金支撐力較差，因此鋁鎂合金大多以外殼為主，內構件則是鎂鋁合金的天下。
標準的鎂鋁合金中鎂、鋁的含量各約為50%。現在鎂鋁合金粉中鋁的含量普遍低於50%，有的鋁含量低到了40%。鎂合金在潮濕空氣中容易氧化和腐蝕，因此零件使用前，表面需要經過化學處理或塗漆。鎂合金的導熱係數不及鋁合金，但是，比塑料高出數十倍。
AZ91D(鎂占90%, 鋁占9%)是壓鑄用材，可用做電器產品殼。另有AM60B、AM50A、AS41B(鎂占94%, 鋁占6%, 錳占0.4)
=> http://baike.baidu.com/view/2894.htm，鎂合金
=> http://www.mgprecision.com.tw/index.htm，美鉅
=> http://www.gatetech.com.tw/technology.html，敬得
=> http://www.zimag.com.tw/zimag21.php，仁鎂
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鋁(音同：呂)，Aluminum [əˋlumɪnəm] ，Al
質輕且軟的銀白色金屬，在地殼中含量排名第三。
鋁合金系列：1xxx(鋁占99%) ，2xxx(含銅)，3xxx(含錳)，4xxx(含矽)，5xxx(含鎂)，6xxx(含鎂-矽)，7xxx(含鋅)，8xxx(其他)系列；2024，3004、3104鋁合金板；5052；5754超强度鋁合金板，6061-T6，7075，
鋁罐的材料為3104鋁合金帶材，厚约0.265mm，熱傳導係數為170 W/m-K
飛機外殼的材料為鋁2024-T3，3-4mm厚、鋁鎂5052、鋁鋰。
=> http://ze-engineer.blogspot.tw/2009/06/aluminium-alloy-and-aircraft.html
剛玉、金剛砂、氧化鋁(Corundum, aluminium oxide, Alumina, Al2O3)，摻有金屬鉻的剛玉顏色鮮紅，一般稱之為紅寶石；而藍色或沒有色的剛玉，普遍都會被歸入藍寶石的類別。在摩氏硬度表中位列第9級。比重為4.00，有六角柱體的晶格結構。因著剛玉的硬度，和相對比鑽石更低廉的價錢，它成為了砂紙及研磨工具的好材料。
=> thin film substrate基板
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矽(音同夕)，Silicon [ˋsɪlɪkən] ，Si，(中國大陸稱作硅ㄍㄨㄟ)
非結晶質的矽是棕色的粉末；結晶形式為灰色的金屬外觀。在宇宙中含量排名第七的元素，在地殼中含量排名第二的元素。
二氧化矽(silica，SiO2)為玻璃的主要成分。是沙和石英的主要成分。在半導體和太陽能板等應用中，是目前主要的原料。
二氧化矽礦石經由電弧爐提煉，鹽酸(氯化氫(HCl)水溶液)氯化並經蒸餾後，製成了高純度的多晶矽，其純度高達99.999999999%。晶圓製造廠再將此多晶矽熔解，再於溶液內摻入一小粒的矽晶體晶種，然後將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶矽晶棒，由於矽晶棒是由一顆小晶粒在融熔態的矽原料中逐漸生成，此過程稱為「長晶」。 矽晶棒(Silicon boule)再經過研磨，拋光，切片後，即成為積體電路工廠的基本原料——矽晶圓片，這就是「晶圓」(Wafer)。
=> 半導體製程介
碳化矽(SiC)是已知最硬的物質之一，普遍被應用在拋光、研磨上。其結晶的形式也被運用在半導體的研究。用於半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。
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名詞解析
在英語中，矽氧樹脂(Silicone [ˋsɪlɪ͵kon] )經常與矽(Silicon [ˋsɪlɪkən])混淆。儘管矽氧樹脂含有矽原子，但其並不只由矽原子組成。矽氧樹脂具有和單質矽完全不同的物理性質。
Silicone，矽氧樹脂、矽樹脂、(聚)矽氧烷、矽酮、矽利康、矽膠。可從液體到凝膠、橡膠和硬塑料。
Silica gel[ˋsɪlɪkə] [dʒɛl]，二氧化矽-凝膠，一種乾燥劑用料，呈半透明顆粒狀，這些顆粒本身具有多孔的構造，所以吸附面積很大，就可以吸附許多物質。在矽膠的包裝袋內有時候會發現到少數不同顏色的顆粒，藍色或粉紅色的，這是氯化亞鈷或是浸泡過氯化亞鈷的矽膠；因為氯化亞鈷在無水的時候呈藍色，吸水之後變為粉紅色；所以就利用它來做指示劑，可以從顏色的變化上看出吸水的程度。可以把吸了水的矽膠拿去烤乾，你會發現顏色會由粉紅色轉變為的寶藍色，這些矽膠就可以再使用了。其它的乾燥劑材料還有氧化鈣(CaO)、氯化鈣 (Calcium Chloride)、抗氧化劑(鐵粉為主)。
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鈧(音同：抗)，Scandium [ˋskændɪəm] ，Sc
銀色的柔軟金屬， 被空氣氧化時略帶淺黃色或粉紅色。和鋁、鈦性質相近，但比鋁、鈦的熔點高，這個特性使鈧被利用在太空船的設計上。鈧用來製特種玻璃、輕質耐高溫合金。
在冶金工業中，鈧常用於製造合金(合金的添加劑)，以改善合金的強度、硬度和耐熱和性能。如，在鐵水中加入少量的鈧，可顯著改善鑄鐵的性能，少量的鈧加入鋁中，可改善其強度和耐熱性。
鋁鈧合金(aluminum-scandium Alloy)，01570、01571 為高強度之鋁鈧合金；01535、01545 為中強度之鋁鈧合金；01570合金是Al-Mg-Sc系合金中強度最高、應用最廣泛的一種合金。01571是最高強度。
鈧鈉燈(金屬鹵化物燈泡，Metal halide bulb)，可達400w的白光燈泡。
氧化鈧(Scandia, Sc2O3, Scandium oxide)，白色粉末，針對高溫下，抗阻熱和溫度衝擊，加入陶瓷和玻璃中。
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鈦(音同：太)，Titanium [taɪˋtenɪəm] ，Ti
具銀光澤的銀白色金屬。在地殼中含量排名第九。鈦金屬可以被磨得非常平滑並且不會生鏽。重量輕(密度4.55)，穩定的化學性質，良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強鹼，以及高強度、低密度，被美譽為「太空金屬」。價格昂貴。
鈦能與鐵、鋁、釩或鉬等其他元素熔成合金，造出高強度的輕合金，在各方面有著廣泛的應用，包括太空（噴氣發動機、導彈及太空飛行器）、軍事、工業程序（化工與石油製品、海水淡化及造紙）、汽車、農產食品、醫學（義肢、骨科移植及牙科器械與填充物）、運動用品、珠寶及手機等等。
目前，常用的合金有20～30种，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等
Ti-6Al-4V(Grade 5)，鋁占6%，釩占4%，α+β钛合金，生醫鈦合金，鈦極容易氧化形成緻密TiO2氧化層可保護內部金屬達到抗蝕的目的。
=> http://www.acrushin.com.tw/product-1.htm
=> http://web.nchu.edu.tw/~weite/chi/submaster/Metallic%20materials%20in%20biomedical%20applications.pdf，金屬在生醫材料的應用
最著名的鈦金屬結構物為西班牙畢爾巴(Bilbao)的古根漢(Guggenheim)博物館，大樓使用彎曲成形厚度為0.38mm的鈦片外牆，CP-Ti Grade-1(Commercially Pure Titanium)，標準酸洗表面處理。
鎳鈦合金--形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)，鎳鈦諾(Nitinol)，金鎘、銦鉈合金都有這種特性。
鈦白粉(二氧化鈦，TiO2)是一種白色顏料，無毒，因為當其摻入塑膠製品時，它可有效地散射可見光而賦予白度(WHITENESS)，亮度(BRIGHTNESS)和不透明度(opacity)。即使在最嚴苛的處理條件下，它都具有化學惰性，不可溶性和熱穩定性，被認為是世界上性能最好的一種白色顏料，約占白色顏料總消費量的70%，主要應用於塗料、塑料、造紙、印刷油墨、化纖、橡膠、化妝品等工業。
奈米鈦光觸媒所產生氫氧根離子、臭氧根離子具有著更強的氧化能力，可強力分解臭源，可強力抑製病菌滋生，可分解大腸桿菌、金黃色葡萄球菌白癬菌、黴菌、綠膿菌等細菌，抑制如腸病毒、流行性感冒、濾過性病毒等病等細菌類或濾過性病毒…，可強力分解結合污垢，並具有抗污功能。
氮化鈦(TiN)鍍膜(coating)，古銅色、金黃色，鍍膜厚約5μm，莫氏硬度9.0，具有高硬度、耐磨耗、抗腐蝕等特點，應用在碳化鎢和硬質合金刀工具。
一款有鈦合金外殼的iPod Nano
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釩(音同：凡)，Vanadium [vəˋnedɪəm]，V
質軟有延展性的銀白色金屬，在室溫下具有抗腐蝕、防鏽、耐酸鹼、抗氧化的特性。 將釩金屬混入其他的金屬中，可得到強度不錯且具有延展性的合金。材料工程中多作為合金的成分。大約80%的釩和鐵一起作為鋼裡的合金元素。含釩的鋼很硬很堅實，但一般其釩含量少於1%。
加釩鋼筋(熱軋鋼筋，0.02-0.05%釩)，CNS定義SD280、SD420(S為Steel，D為竹節鋼筋 (deformded reinforcement bar)，280、420為抗拉強度，單位為N/mm2)依台灣的地震發生頻率來說，鋼筋的抗拉強度不是重點，重點在於鋼筋的伸長率，降伏強度。所謂降伏強度，是材料開始產生永久變形的臨界應力。CNS 560增修抗拉強度/降伏強度≧1.25，地震發生時可以吸收較多之能量。
=> 水淬鋼筋釋疑
鉻釩鋼(Cr-V，彈簧鋼，6140，6150)、鉻鉬釩鋼(耐磨用鋼)、鉻鎢釩鋼(切削用鋼、耐衝擊用鋼、熱加工用鋼)
鈦釩合金、鎢釩合金、鋯釩合金、鋁釩合金、鋁鋯釩合金
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鉻(音同：各)，Chromium [ˋkromɪəm] ，Cr
質地硬的結晶狀銀色光澤金屬，外觀是微淡藍色，因為質地較硬，所以易脆，在常溫下能夠抗腐蝕。
1950-1960間正值「鉻」的黃金年代，在車子的前後保險桿，都以電鍍鉻加以裝飾，電鍍鉻要在電鍍鎳層上，電鍍鎳層的基材可為鐵、鋅、黃銅、塑膠。表面光亮、外形美觀、防鏽。
鉻酸鹽皮膜處理可用於防止金屬腐蝕及增強塗料的粘合力。鉻酸鹽中的鉻為六價氧化態，有毒且具有致癌性，被國際癌症研究機構（IARC）劃分為第一類致癌物質。鉻酸鉀為黃色粉末，重鉻酸鉀為橙色粉末。
鉻是製造不銹鋼的原料。不同比例的鐵、鎳、鉻合金可以產生非常多種的組合，在現代科技中算是最重要的合金。為了抵抗腐蝕（生鏽），需要加入最少11%的鉻，通常還會再加鎳。一些不鏽鋼，如鐵素體不鏽鋼帶磁性，而奧氏體不鏽鋼則不帶磁性。
氧化鉻Cr2O3，氧化鉻錄(chromium oxide green)，為顏料和陶瓷釉料。
=>環保無機顏料：鈷銅黑、鈦鎳黃、鈦鉻棕、鐵鉻黑、鈷鈦綠、鈷鋁藍
=> http://www.jufa88.com/index.html，巨發
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錳(音同：猛)，Manganese [͵mæŋgəˋniz] ，Mn
質地較硬易碎灰白色中帶有淡粉紅色之金屬。在潮溼的空氣中會像鐵一樣生鏽。
錳可使鋼材的硬度增加，也能使鋼在高溫時，容易鍛造和軋延。
低錳鋼、低矽錳鋼為構造用合金鋼，高強度低合金鋼(High-strength low-alloy steel, HSLA)，橋樑、船舶、建築物、車輛。高強度低合金鋼含有小量其他元素（正常重量最多佔鋼的2%），一般為1.5%錳，用於增加鋼的強度，這樣價格會比碳鋼高一點。
高錳鋼，哈特菲鋼（以羅伯特‧哈特菲((R. A. Hadfield))爵士命名）含有12-14%的錳，能在磨損時生成一層極硬的表層，防止磨耗。應用例子包括坦克履帶、推土機上的推土刀邊緣，以及生命之鉗的切割刃。
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