【李家同】我們應該重視材料工業

張貼者:2021年4月26日 下午8:39台灣精密工程學會

金屬中心高雄總部 MII金屬情報網[智庫專欄]

李家同

        我們可以絕對地說,每項工業都和材料有密切關係。大家都知道汽車的車身和零組件都需要不同的材料,飛機更是如此。至於晶片,在製造過程中當然也需要很多很特別的材料。製造特用化學品也要從材料著手。遺憾的是,大家似乎並不瞭解材料科學的重要性,也沒有如何扶植材料工業的策略。 

        我國所需要的材料工業絕對是高規格的,因為低規格的材料是沒有競爭力的。我可以舉一個例,紡織機中有一種是針織機,針織機當然要用到針,針的材料當然是鋼,可是全世界95%針織機所用的針全部來自一家德國公司,而且使用時間相當之久。為什麼大家一定要用這家公司的針?主要的原因在於它的穩定性。任何人可以造出一根針供給針織機使用,但是這根針新的時候應該是沒有問題的,可是對針織機而言,任何一根針在運作時出問題,整個布料就會毀於一旦。這個損失是相當大的,因此紡織業要求這些針要在長時間使用以後仍然不會有問題。 

        我再舉一個例子,我們都知道齒輪,有一種減速機是用齒輪的,可是這個齒輪的材料相當薄,在轉動時有一定的慣性,可以長時間做橢圓形地轉動,磨耗也不能大。這種減速機叫做諧波式減速機,發明人是美國人,但是美國始終沒有能夠將這種減速機商業化,因為做不出這種高規格的材料。日本有一家公司最後成功了,這完全是因為他們在材料上有特別的做法。 

        我們有時候希望做出非常小的顆粒,假設我們要做A材料的奈米級顆粒,先要有A材料的顆粒,當然這種顆粒的大小不是奈米級的,所以要用比較大而堅硬的顆粒和它碰撞,碰撞多次以後,A材料的顆粒就會越變越小。這種過程看起來沒什麼學問,可是大顆粒絕對不能有任何破損,因為大顆粒是由B材料做成的,一旦B材料有所破損,最後的結果中就會有AB兩種材料,這是不被允許的。不僅如此,因為是用攪拌機來做顆粒互碰的研磨,在攪拌的過程中,顆粒會不斷碰撞桶子的內壁,所以這個桶子也絕對不能有任何的破損。假設桶子的內壁是由C材料做成的,我們就有一個結論,那就是BC材料都非常堅硬,經得起長時間顆粒的碰撞。這種材料也是只有先進國家才能做到。 

        很多精密加工是用線切割機的,顧名思義,可以想見要用到一條線。越精密的切割,所用的線也就要更加細。麻煩的是,這條線不僅要細,還要中空。也就是說,這條細線其實是有內管的金屬管子,管子裡有內圓,內圓半徑的誤差也是要相當準確的。這些都是材料問題。供應線切割機最細的線往往來自日本,日本也不肯輸出它們所能做出最細的中空金屬線。 

        講到材料,就會想到研磨。以半導體工業而言,研磨是非常重要的,因為我們希望晶圓表面是絕對平坦的,但是晶圓是一種特別的材料,不能用普通的方法來進行研磨。現在半導體工業使用研磨的方法叫做化學機械研磨,大致說來,這種研磨牽涉到化學和金屬材料。研磨過程中,不僅有研磨,也有腐蝕的作用。這種研磨又牽涉到很特別的材料。 

        南韓曾經和日本交惡,日本使出一個絕招,禁止三種特用化學品對南韓的輸出。這三種特用化學品都是在半導體製程中必定會用到的,其中一個就是光阻劑。會做光阻劑的工廠很多,但是能夠達到半導體所要求的規格,卻不是容易的事。日本這個做法是相當有效的,因為他們所生產的光阻劑幾乎沒有別的公司能取代。 

        我們應該努力地發展高規格材料,比方說,非常耐熱的材料或者非常耐磨損的材料。當然在化學方面,我們也許要求純度非常高,帶有特別性能的化學品,如絕對沒有任何氣味等等。 

        材料所含的元素比例應該是可以利用設備來分析的,很多先進國家所做出來的高規格材料,我們應該加以分析。大規模材料分析的結果,絕對可以使我國的材料科學家對於各種材料的配方有一些了解。當然,重要的仍然是這些配方背後的學理,這絕對牽涉到很多化學。所以材料科學家不可能離開化學的,當然物理也是重要而有用的學問。 

        知道很多材料的配方只是第一步,製作的過程是無法用儀器知道的。工程師必須做很多實驗才能使得最後的材料達到某一種規格。以金屬而言,熱處理乃是一件非常重要的事,以我粗淺的了解,水在結冰時會結晶,而金屬內部也有結晶現象,如果結晶方向很混亂,應力也會應運而生。短時間內應力的作用不大,可是時間一長,應力絕對會對金屬有不利的影響。我們常常提到殘餘應力,殘餘應力對金屬材料是很嚴重的,先進國家很多金屬材料之所以受歡迎,乃是因為它們的殘餘應力已經被減少了很多。 

        總而言之,我們應該靜下心來,好好地注意如何提高我國材料工業的水準。我們應該知道先進國家之所以能夠做出非常精密的工業產品,有很多原因,可是精密的材料絕對和學問有關,也和經驗有關。學問和經驗的取得都需要時間,不該要求工程師在短時間內能夠趕上先進國家。如果政府常常見異思遷,在材料工業上是絕對錯誤的做法。

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