複合式金屬型阻尼器構造

屬或非金屬互相融合而成。金屬及合金具有下列共同的特徵：(1)材料表面具有 不同的光澤且不透明；(2)除了汞以外，常溫時為固體且為結晶體之形態存在；

(3)具有優良的導電性及導熱性；(4)延展性佳，適合塑性變形加工；(5)除鋰、鈉、

鉀等三種元素比重小於 1 之外，其餘比重均大於 1，另外比重大於 4 者又稱為重 金屬，例如：鐵、銅、鎳等；比重小於 4 者，又稱為輕金屬，例如：鋁、鎂、

鈹等；(6)除了鈹、鋁、鉻等三種元素為兩性元素，即溶於水中會呈酸鹼兩性反 應者外，一般氧化物或氫氧化物材料若能溶於水中，一般多呈鹼性反應。

金屬材料經切開後，其斷面上可看到許多微小的粒子，這些微小粒子就是 金屬的晶粒(crystal grain)，其大小約為 0.01〜0.1mm，每個晶粒內均包含著為數 不等的原子。金屬的結晶組織對於其行為及特性有很大的影響，另外，原子的 組織及其他各種因素也會影響金屬的特性及行為，如金屬的組成成分、雜質、

原子結構內之空孔、晶粒大小、晶界、周圍環境、金屬的表面組織、原子大小、

加工歷程方式等。金屬結晶組織(crystal structure)[44]最常見為體心立方、面心立 方以及六方最密堆積(如表 4-1 所示)。晶粒(grain size)愈小，晶界(grain boundary) 障礙愈多，破裂路徑愈長，所以強度與韌性愈大。多晶金屬(Polycrystalline Metals) 經塑性變形後，其會產生回復(recovery)、再結晶(recrystallization)與晶粒成長 (grain growth)現象，詳述如下：

1. 回復：再結晶溫度下，高度變形所形成之殘留應力會釋放，次晶界開始形成，

機械性質並無明顯變化。

2. 再結晶：原先晶粒被等軸及無應變的新晶粒取代，差排的密度與材料強度降 低、延展性增加。

3. 晶粒成長：溫度上升晶粒不斷成長超過原來晶粒大小的現象。

其對於材料性質、外觀與晶粒之影響可參見圖 4-2。再結晶溫度之定義為所 有的在結晶現象會在一個小時內完成的溫度，其中，鉛、錫、鎘、鋅在室溫即 發生再結晶現象。常見金屬之再結晶溫度可參見表 4-2。

表 4-1 典型金屬的結晶組織

表 4-2 常見金屬之再結晶溫度

圖 4-2 金屬在不同溫度下晶粒大小與性能變化

複合式金屬型阻尼器內部填充之合金，其基本組成元素採用鉛元素，鉛之 基本介紹與其被採用之主要理由敘述如下：

鉛的化學符號是 Pb（拉丁語 Plumbum），原子序數為 82，是一種軟的重金 屬，它有毒性，是一種有延伸性的弱金屬。鉛的本色是青白色的，在空氣中它 的表面很快被一層暗灰色的氧化物覆蓋。鉛可用在鉛酸蓄電池中，亦可用作槍 彈和炮彈，焊錫、獎盃和一些合金中也含鉛。沒有氧化層的鉛色澤光亮，密度 高，硬度非常低，延伸性很強。它的導電性能相當低，抗腐蝕性能很高，因此 它往往用來作為裝腐蝕力強的物質（比如硫酸）的容器。加入少量銻或其它金

屬可以更加提高它的抗腐蝕力。

早在 7000 年前人類就已經認識鉛了。它分佈廣，容易提取，容易加工，即 有很高的延展性，又很柔軟，而且熔點低。在《聖經·出埃及記》中就已經提到 了鉛。古羅馬使用鉛非常多。有人甚至認為羅馬入侵不列顛的原因之一是因為 康沃爾地區擁有當時所知的最大的鉛礦。甚至在格陵蘭島上鑽出來得冰心中可 以測量得出從前 5 世紀到 3 世紀地球大氣層中的鉛的含量增高。這個增高今天 被認為是羅馬人造成的。煉金術士以為鉛是最古老的金屬並將它與土星聯繫到 一起。在人類歷史上鉛是一種被廣泛應用的金屬。從 1980 年代中開始，鉛的應 用開始驟然下降。主要原因是鉛的生理作用和它對環境的污染。今天汽油、染 料、焊錫和水管一般都不含鉛了。中國二裡頭文化的青銅器中，即發現有加入 鉛作為合金元素，併在整個青銅時代與錫一起，構成了中國古代青銅器最主要 的合金元素。

自然界中純的鉛很少見。今天鉛主要與鋅、銀和銅等金屬一起冶煉和提取。

最主要的鉛礦石是方鉛礦（PbS），其含鉛量達 86.6%。其它常見的含鉛的礦物 有白鉛礦（PbCO3）和鉛礬（PbSO4）。世界上最大的產鉛國是中國、美國、澳 大利亞、俄羅斯和加拿大。今天半數以上的鉛是回收來的。鉛礦一般用鑽或爆 破的手段被開採。礦石被開採後被磨碎，然後於水和其它化學藥品（比如錶面 活性劑黃 原酸鈉）混合。在這個混合液的容器中有氣泡上升，含鉛的礦物隨氣 泡上升到錶面形成一層泡沫。這層泡沫可以被收集。這個過程可以多次進行，

其結果含 50%的鉛。收集後的泡沫被烤乾熔化後得到含 97%的鉛。這個熔液被 慢慢冷卻，雜質比較輕上升到錶面可以被移去。剩下的鉛被再次熔化。冷空氣 被吹入熔液，更多的雜 質上升被移除後得到 99.9%的鉛。將除去雜質的方鉛

礦 ，在空氣中燃燒成氧化鉛，再與碳共熱還原得鉛。

鉛的特性如下：

1. 錶面在空氣中能生成鹼式碳酸鉛薄膜，防止內部不再被氧化。

2. 製造鉛磚或鉛衣以防護 X-射線及其他放射線。

3. 用於製造合金。等量之鉛與錫組成的焊條可用於焊接金屬。

4. 製活字金。

5. 用作蓄電池的電極。

6. 鉛與銻的合金熔點底，用於製造保險絲。

7. 可用於製造鉛彈。

鉛合金之非線性力學特性與一般常見之鋼力學特性相近，其受漸增之外力 時，會由彈性反應進入塑性段，於反覆循環載重作用下，鉛合金可產生穩定且 飽滿的雙線性遲滯廻圈，此特性已廣泛應用於鉛心橡膠支承墊中[45~47]，若含 鉛心之橡膠支承墊，除可增加其垂直承載力外，因鉛的消能特性可提高支承墊 之等效阻尼比，降低支承墊隔震位移量，且鉛的再結晶特性，使鉛心橡膠支承 墊於地震過後不需維護鉛心，不產生疲勞，於下次地震時，鉛心再次發揮與剛 灌注時相同的力學特性。鉛合金於一受限的範圍內受外力作用時，會使其直接 進入塑性流力學範圍，於常溫下，不需將鉛合金加熱至其融點即會有液態流動 的特性，即不需外加熱能即可使其具有液態流動的機械性質(可參見表 4-2)。

複合式金屬型阻尼器將鉛合金置入一封閉管中，當開孔活塞運動時，壓力 即會將鉛合金塑性流特性引出，此時流動鉛合金達塑性範圍，可提供充分的等 效阻尼，且流動的鉛合金與活塞孔相對運動產生摩擦力，亦提供等效阻尼。利 用鉛本身降伏的行為，在平時可以承受環境振動，地震來襲時亦可發揮消散能 量的作用，故鉛可作為能量吸收之材料，因為其在產生塑性變形後之獨特行為，

當鉛產生塑性變形時期晶柱被拉長而產生晶格錯位，且由於變形中所產生之熱 能，使得材料本身擺脫塑性變形的影響，鉛會以恢復、再結晶、晶體成長的順 序(參見圖 4-2)回復到塑性變形前的狀態。相較於其他種類金屬，鉛在常溫下即 可迅速地發生再結晶的程序，不易產生應變硬化的現象，因此可長期重覆使用。