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材料的生病老死與輪迴

人類的文明與材料科技息息相關,就以土木、建築來說,埃及的人面獅身及金字塔,乃至現代的摩天大樓,都是由各式各樣的材料建構而成。從這些傑作中,都可感受到材料科技演化的歷史痕跡。
 
 
 
材料與藝術

人類的祖先是出色的材料工程師,留下許多優美的藝術品,譬如春秋時代的越王勾踐劍、曾侯乙編鐘。這些讓我們驚嘆的絕世之作,都是利用材料來表現,並顯示出當時頂尖的材料運用與製作技術。

以越王勾踐劍來說,埋藏在地底約2,400年之久,至今仍光亮鮮豔如新,沒有腐蝕的痕跡。這把以青銅合金鑄造的王者之劍,展現出許多高級材料技術的應用與整合,包括合金設計、冶煉鑄造、加工成形、表面處理、藝術造形等。這些技術有些流傳至今,有些則仍然不得其解且無法複製。

至於編鐘,則是冶金、力學、音律等科技完美的結合,賦予樂器在聽覺與視覺上永恆的藝術生命。從這兩個例子,我們體會了先人的智慧,也可以說一部人類的藝術史其實就是材料科技的演進史。

材料與文明

除了藝術價值外,其實人類的文明與材料科技也息息相關。就以土木、建築來說,埃及的人面獅身及金字塔,乃至現代的摩天大樓,都是由各式各樣的材料建構而成。從這些傑作中,都可感受到材料科技演化的歷史痕跡。

征服太空或探險海洋是人類持續的夢想,直至今日已經逐步實現。但若沒有材料科技的不斷精進,不論是亞特蘭提斯號太空梭或潛水艇,都不可能成為實現這些夢想的工具。

另從物品尺寸大小的角度來說,不論是萬里的長城或鐵、公路交通命脈,或微米、奈米等級的熱、電傳輸通路,材料科技也扮演了不可或缺的角色。

如果把材料及其相關工藝與技術抽離,人類的文明會是什麼面貌?如果沒有奠基於材料科技的不斷發展,現今幾乎人手一支的智慧型手機,以及無遠弗屆的無線通訊文明是否存在?

材料及其相關科技對於增進人類生活的舒適與便利顯然非常重要,然而材料及其所製成的元件或結構是否永遠不會損壞呢?其實不然,材料也有生命周期,有生、老、病、死與輪迴的宿命。

材料的生

如果把任何抽象或具體的事與物的起始視為生,要談材料的誕生就要先從地球的資源說起。地球平均半徑約6,370公里,而目前人類的工程技術可以開採或應用的地球資源,大概局限在地表以下約5公里的範圍內。

地表含量最多的元素是氧,占46.4%,其次是矽、鋁、鐵、鈣、鈉、鎂等。若以金屬元素而言,鋁是含量最豐富的元素,其次是鐵,但都少於10%。構成我們所熟悉的結構物或元件,除了上述元素外,另有其他重要的組成元素。

許多工業用途的元素在地殼中的含量並不高,且除了貴金屬等少數元素外,大部分是以化合物的形態存在。

以化合物的形態為主的礦物在開採之後,需經過選礦的程序使其濃度提高。對於常見的金屬元素如鐵、鋁、銅等,則需再經過複雜的提煉冶金過程,才能產生金屬狀態的元素。以鋼鐵為例,首先需要把所開採出主要成分是氧化鐵的鐵礦混合焦炭、石灰等原料,在高爐中冶煉成鐵水。高溫鐵水在煉鋼爐中再加以精煉才成為鋼液,把鋼液澆鑄冷卻後成為固態的鋼錠,就可送到各種機械加工廠,經加工成形後製成各式各樣的物品或元件。

固態的金屬材料常由兩種以上的元素組成,稱為合金,如不銹鋼、黃銅、鋁合金、鈦合金、鎂合金等,各有其不同的製造冶煉技術,也各有其千變萬化不同的用途,如刀劍、汽車引擎、手機機殼、半導體元件等。經過各種不同的製作程序,具體的物件得以孕育而生。

材料的病老

經過各種不同方式或程序所形成的具體物件、元件,在現實環境中不斷地使用,多會受到聲、光、電、力、熱、日曬、雨淋的考驗或折磨。因此,材料或其所製成的各種工具、結構物會呈現磨損、敗壞的現象,就如同人會生病一樣。

材料的生病與人的生病肇因類似,大致可分為基因、操勞過度與環境汙染3種。基因的因素可以由材料的化學組成來說明,譬如含鉻的鋼鐵(不銹鋼)就比不含鉻的鋼鐵(普通碳鋼)不容易生銹,陶瓷材料通常比金屬材料容易脆斷。就操勞過度而言,我們所熟知的材料疲勞斷裂就是反覆操作所引起的損壞。至於環境汙染,也是引起材料腐蝕而減壽的主因。

材料的病徵以不同的形態呈現,有些明顯可見,譬如斷裂或生銹;有些是目視無法看出來的,譬如導電度退化或材料內部產生析出物等。大致來說,因為機械作用力而引起的病徵,常見的有磨損、變形、斷裂、疲勞等,因環境因素引起的常見病徵有腐蝕、質變等。不論是有形或無形病灶,若不處理或治療,會使材料性質逐漸老化、退化,甚至失去功能。

材料的死

一旦因為某種病因而老化喪失基本功能,材料就面臨失效及退役的命運,甚至被丟棄,這是材料的死亡。

材料的死亡可能是猝死,也可能是逐步走向終點。前者如疾駛的汽車互撞,瞬間灰飛煙滅;爆炸也是常見造成材料急性死亡的原因。後者如發電機葉片的疲勞,逐漸擴大裂痕最終斷裂;腐蝕引起的損害通常也會導致慢性死亡。

材料一旦死亡,長期暴露在自然環境中,就會逐漸腐化而成一堆廢土,就如《聖經》創世記第3章所記載「本是塵土,仍要歸於塵土」。

北京科技大學故肖紀美院士對於材料與人類生、病、老、死的共通性,在以下〈英雄盡折腰〉的詩句中做了最佳的詮釋:

  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,悲傷物早夭;
  宇宙腐蝕事,無數英雄盡折腰。

材料的輪迴

雖然「來自塵土,終歸塵土」,已經損壞或死亡的材料或被送進廢料墳場的垃圾,其實仍可以透過回收、再利用或重新冶煉等程序而獲得新生。

最普遍的例子是把廢鐵或廢鋼重熔、冶煉成為新的鋼錠,再經過熱軋、冷軋、機械加工製成全新的器具,賦予材料新的生命。利用廢棄汽水鋁罐製成各種藝術品,也是資源回收再生的例子。換言之,材料的生命是可以輪迴的,並能以不同的形貌重獲生命,再造價值。

從人類富含情義的有機體角度來看,大部分的固體材料是無情義的無機體,因而認為是沒有生命的。但從宇宙的巨觀角度來看,地球的資源總是以各式各樣的面貌存在,我們所說的「材料」就是其中的一種,而這些資源或材料在時間的洪流中如同人類一樣隨時都在轉化,表現出像人一樣具有生命,以生、病、老、死、再生的不同面貌為人類的生存提供了無限可能的助力。

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