【李家同】我們應該重視材料工業

張貼日期：2021/4/27 上午 03:39:06

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A和B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B和C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。