107 高普考高考三級 技藝(選試陶瓷) 工藝材料學 考古題詳解

核心觀念

本題評量考生對「臺灣本土木竹材之物理與力學性質」、「手工工藝成型與接合技術」及「產品機能與人體工學設計」的整合應用能力。核心知識範疇包含：

1. 臺灣本土竹木材物性：孟宗竹（壁厚、剛度高、承重力強）、桂竹（節間長、彈性佳、易剖篾）、相思樹（質地堅硬、耐磨、耐腐）、臺灣檜木/臺灣杉（抗候性佳、具天然芳香、質輕）。
2. 夏季家具物理環境機能：導熱係數與觸感（竹皮富含二氧化矽，觸感冰涼且熱逸散快）、通風對流（多孔隙編織面或格柵構造）、耐汗液與抗潮防黴（夏日高溫多濕之耐候性）。
3. 手工製作接合工藝：竹工藝之「火烤彎曲定型」、「去油脫脂」、「包管榫」、「穿銷接」；木工藝之傳統「榫卯接合（如三橫抱肩榫、格角榫）」及天然生漆擦漆塗裝。

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解題方法

本題為設計規劃與材料選用的整合申論題，解題切入點應鎖定「夏季休閒」、「手工製作」、「兼顧造型與功能」三大限制條件，採「選材企劃 $\rightarrow$ 結構與機能設計 $\rightarrow$ 工藝造型與接合工法 $\rightarrow$ 表面塗裝與耐久處理」四階段層層推展。

一、 材料選用規劃（臺灣本土竹材複配木材）

夏季家具首重「排汗透氣」與「清涼觸感」，全採實木易顯悶熱且重量過重，因此最佳策略為以臺灣優質竹材為主、本土硬木為輔：

1. 主受力骨架：選用臺灣孟宗竹（產自南投竹山或嘉義奮起湖，竹齡4~5年生）。

• 選用理由：徑級大（外徑約 $8\sim10\text{ cm}$）、壁厚肉豐、纖維密度高，具有極高的抗彎彈性模數（MOE）與抗壓強度，能穩固承載人體動靜態負載。

2. 座面與靠背接觸面：選用臺灣桂竹（產自苗栗泰安或新竹尖石，竹齡3年生）。

• 選用理由：節間長（可達 $30\sim40\text{ cm}$ 以上）、纖維縱向撕裂韌性強、肉薄富彈性，極利於剖成均勻竹篾或竹片，編織後能隨人體背曲自然微幅貼合，且竹皮天然矽質帶來極佳的涼爽感。

3. 結構連接節點與滑動卡榫（輔助構件）：選用臺灣相思木。

• 選用理由：比重高（約 $0.75\sim0.85$）、硬度極大、剪切強度高，車製成木銷、榫舌及角度調節排齒，可大幅提高手工組裝之耐磨性與結構剛性。

二、 功能與人體工學規劃

1. 躺臥角度與支撐性：

• 椅背傾角設計為 $110^\circ \sim 125^\circ$（休息放鬆角度），坐面後傾 $5^\circ \sim 8^\circ$，防止身體下滑。
• 靠背與腰椎交接處設計前凸微弧（矢高約 $3\sim5\text{ cm}$），提供腰部良好支撐；座面前緣做下垂弧面，減輕大腿下側壓迫。

2. 通風對流與涼感機構：

• 椅面捨棄實心板料，改採手工「桂竹篾六角孔編（眼輪編）」或「等距密排細竹條排骨座面」（間隙保持 $8\sim12\text{ mm}$），藉由空氣上下穿透帶走體表蓄熱。

3. 多段可調功能：

• 後方設置相思木手工雕製之階梯式支撐卡槽，提供三段仰角切換（閱讀 $105^\circ$、放鬆 $115^\circ$、小憩 $130^\circ$）。

核心觀念

本題旨在測驗考生對於木材物理性質中「水分與尺寸安定性（寸法安定性）」關係之掌握，以及在木工藝設計製造過程中抑制「乾縮濕脹（Shrinkage and Swelling）」的實務技術。本題涉及之核心理論與定義如下：

1. 纖維飽和點（Fiber Saturation Point, FSP）與結合水吸脫附： 木材中之水分分為細胞腔內的「自由水」與細胞壁內的「結合水」。當木材含水率（Moisture Content, $MC$）在 FSP（約 $28\% \sim 30\%$）以下增減時，細胞壁因結合水的進出而產生體積收縮（乾縮）或膨脹（濕脹）。
2. 平衡含水率（Equilibrium Moisture Content, EMC）： 木材具多孔吸濕性，其含水率會隨周遭環境之相對濕度（$RH$）與溫度（$T$）動態調整，最終達到平衡狀態。環境溫濕度劇烈波動是造成製品吸濕膨脹或排濕開裂的根本誘因。
3. 異方性（Anisotropy）與變形應力： 木材為非均質異方性材料，三個主軸方向的乾縮濕脹率具有顯著差異，概略比例為： $\text{弦向（Tangential）} : \text{徑向（Radial）} : \text{縱向/纖維方向（Longitudinal）} \approx 10 : 5 : 0.5$ 弦向乾縮率約為徑向的 $1.5 \sim 2$ 倍，縱向乾縮率極小（通常 $< 0.2\%$）。各方向收縮率不均會產生翹曲（瓦狀彎曲、扭曲）；若木材內部收縮受到結構拘束，當內部拉伸應力超過橫紋抗拉強度時，即發生「開裂（Checking/Cracking）」。
4. 含水率梯度（Moisture Gradient）： 木材端面（橫切面）的導管、管胞暴露，水分蒸發或吸收速率遠高於弦切面與徑切面（約快數十倍）。表面水分急劇脫附導致外層先收縮、內層未收縮，因而形成外拉內壓的應力分佈，造成端裂或表面裂。

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解題方法

本題為典型的「申論型工藝技術題」。解答時不應零散列舉，而應建立「材料生命週期與製程因果鏈」的系統化架構：從「材料前處理（乾燥調濕）」$\rightarrow$「選材與配材（善用異方性）」$\rightarrow$「構造與工法設計（允許伸縮）」$\rightarrow$「材料改質（寸法安定化）」$\rightarrow$「表面塗裝與保存環境（阻隔水氣）」五大階段切入剖析，展現全面且專業的材料學素養。

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選項分析

本題為申論題，無選項分析。

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解題技巧

1. 架構層次分明：依「材料調濕 $\rightarrow$ 結構接合 $\rightarrow$ 化學改質 $\rightarrow$ 塗裝被覆」之製程邏輯分大點陳述，評閱委員閱卷時能一目了然。
2. 務必精準輸出材料學專業名詞：答題時精準點出「平衡含水率（EMC）」、「纖維飽和點（FSP）」、「徑切板（柾目）與弦切板（板目）」、「端面塗裝」、「寸法安定化處理（PEG、熱處理、乙醯化）」、「浮動結構（穿帶、舌槽）」等關鍵字，此為取得高分之核心。
3. 避免常見盲點：

• 誤以為「木材塗了油漆就絕對不變形」：塗裝僅是「延緩」水氣進出速率，無法百分之百阻止長期水分平衡變化；若未搭配結構設計（留伸縮縫），日久仍會變形開裂。
• 忽略「端面（橫切面）」處理：木材縱向水分逸散速度是橫向的數十倍，端面封閉是防止端裂最關鍵的細節。

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【答案】

降低木材工藝品因含水率變化產生開裂與吸濕變形之具體防制措施，可由材料前處理、選材配材、構造設計、材料改質及表面保護等層面綜合實施，分述如下：

核心觀念

本題考查無機非金屬材料與陶瓷工藝學的核心原理——陶瓷坯釉適應性（Body-Glaze Compatibility）與熱應力理論。涉及的材料物理與化學觀念如下：

1. 熱膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion, CTE, 以 $\alpha$ 表示）： 固體材料隨溫度升降產生熱脹冷縮的物理量。陶瓷燒製完成由高溫降至室溫時，釉層與坯體均會收縮。
2. 熱應力公式（Thermal Stress）： 當釉層冷卻固化通過轉換溫度（$T_g$ 或應變點）後，若坯與釉的收縮率不同，因受界面黏著約束而產生內應力。其釉面所受應力 $\sigma_g$ 可表示為： $\sigma_g \propto \frac{E_g}{1 - \nu_g} (\alpha_b - \alpha_g) \Delta T$ 其中 $E_g$ 為釉的彈性模數（楊氏模數），$\nu_g$ 為釉的卜瓦松比，$\alpha_b$ 與 $\alpha_g$ 分別為坯體與釉的熱膨脹係數，$\Delta T$ 為有效冷卻溫差。
3. 陶瓷材料的力學不對稱性： 釉層本質為玻璃態矽酸鹽，其抗壓強度極高（約為抗拉強度的 10 倍以上），而抗拉強度極弱。

• 若釉面承受張應力（拉應力，$\sigma_{\text{tensile}}$）​且超過釉的抗拉強度，釉面立即脆裂，形成龜裂（Crazing，又稱開片）。
• 若釉面承受壓應力（$\sigma_{\text{compressive}}$），在微弱壓應力下可大幅增強器皿強度；但若壓應力過大，超過坯釉界面剪切結合強度時，釉層會被推擠翹起甚至崩裂彈出，形成剝落（Shivering / Peeling，又稱跳釉）。

4. 強度與彈性的影響：

• 抗拉強度：釉料本身的網狀結構越完整、缺陷（氣孔、微裂紋）越少，抗拉強度越高，抵抗張應力開裂的能力越強。
• 彈性模數（$E$）：較低的彈性模數賦予釉層較高的變形緩衝能力（即彈性較佳），能在相同的膨脹差下累積較小的熱應力，降低龜裂與剝落機率。

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解題方法

本題屬於典型之「機理解析＋工藝對策」申論題，作答切入點應分為三大部分循序展開：

1. 力學狀態與收縮差異之邏輯鏈：

• 建立「膨脹係數比對 $\to$ 冷卻相對收縮量 $\to$ 界面受力型態（拉應力／壓應力） $\to$ 破壞形式」之判斷鏈。

2. 情境劃分說明（燒製結果）：

• 組合一：$\alpha_b \approx \alpha_g$（相近組合）：細分完全相同與「釉略小於坯」的工程實務差異。
• 組合二：$\alpha_g > \alpha_b$（釉大於坯）：推導拉應力破壞機制（龜裂）。
• 組合三：$\alpha_g < \alpha_b$（釉小於坯且差異過大）：推導壓應力失穩與剪力破壞機制（剝落）。

3. 提出具體解決方案（多維度改善）：

• 針對材料配方（調整高／低膨脹氧化物）、材料力學特性（改善強度與彈性）、燒成工藝（燒成溫度、保溫、冷卻曲線）與施釉厚度，給出系統化建議。

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選項分析

本題為高考三級公職考試之申論分析題，無選擇題之固定選項。針對題目所指定之「熱膨脹係數組合情形」，將其分類與燒製後缺陷表現對比分析如下：

• 組合一：坯與釉熱膨脹係數相近（$\alpha_g \approx \alpha_b$）
• 狀態分析：冷卻過程收縮幾乎同步。
• 燒後表現：釉面平整光潔，坯釉結合良好，無龜裂亦無剝落。在陶瓷工程最佳實務中，通常設定 $\alpha_g$ 略小於 $\alpha_b$（差值約 $0.2 \times 10^{-6} \sim 0.5 \times 10^{-6}\text{ K}^{-1}$），使釉層在室溫下處於微弱均勻的壓應力狀態，這能抵消外來拉力，使成品機械強度與熱震穩定性達到最高；若完全相等，日後可能因坯體吸濕膨脹而產生延遲性龜裂。
• 組合二：釉熱膨脹係數明顯大於坯體（$\alpha_g > \alpha_b$）
• 狀態分析：降溫時釉層收縮量大於坯體，坯體阻礙釉收縮，導致釉層承受高額張應力（拉應力）。
• 燒後表現：因玻璃質釉料抗拉強度極低，當張應力大於釉之抗拉極限時，即在表面產生細碎如網狀或羽毛狀的龜裂（Crazing）。嚴重者在出窯降溫時即可聽見清脆碎裂聲，裂紋直達坯釉界面。
• 組合三：釉熱膨脹係數明顯小於坯體（$\alpha_g \ll \alpha_b$）
• 狀態分析：降溫時坯體收縮量遠大於釉層，坯體將釉層強烈擠壓，導致釉層承受過高的壓應力。
• 燒後表現：當壓應力超過坯釉界面剪應力極限，或在口緣、稜角等應力集中處產生挫曲（Buckling），釉層會整片脫離坯體、翹曲甚至斷裂崩飛，產生剝落（Shivering），常伴隨邊緣坯體被連帶扯下的凹坑缺陷。

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解題技巧

核心觀念 本題為公職高普考「工藝材料學」典型結合「材料科學特性」、「產品設計轉化」與「工藝歷史與地緣文化策略」的綜合型申論題。核心評分概念涵蓋：

1. 天然生漆之材料物理與化學特徵：天然漆主要成分（漆酚 $Urushiol$、漆酶 $Laccase$、樹膠質與水分），其藉由漆酶催化氧化聚合之常溫常濕固化機理，以及成膜後具備耐酸鹼、耐腐蝕、耐高溫、絕緣、抗菌防霉、溫潤手感與隨時間「開朗」（漆膜愈趨透亮）的材料質地。
2. 材料導向的文化創意設計（Material-driven Design）：文創商品不可脫離材質本性，須將漆的「胎體包容性（木、竹、布、陶、金屬）」與「裝飾技法（蒔繪、變塗、戧金、螺鈿、夾紵脫胎）」轉化為解決現代生活機能與美感需求的設計載體。
3. 東亞漆藝地緣矩陣與臺灣主體性定位：在中國（厚重雕漆、大件脫胎）、日本（精緻蒔繪、極致茶道具）、韓國（細密螺鈿）等歷史強勢風格包圍下，臺灣如何立足於自身的「日治蓬萊塗傳統」、「在地竹材結合（籃胎／竹胎）」及「常民現代生活美學」發展差異化特色。

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解題方法 本題應採取「特徵—功能—應用」三段因果推導法，以及「地緣光譜差異化分析法」進行鋪陳：

1. 材料特色與文創出路之鏈結：切忌憑空條列產品，必須嚴格從「材料物理/化學/美感特性」為出發點，論證為何該項特性適合轉化為特定文創品項（如：利用耐酸鹼與抗菌特性切入現代食器；利用絕緣與防潮特性切入 3C 科技配件；利用脫胎輕巧性切入穿戴首飾）。
2. 東亞漆藝對照與臺灣特色建構：採「先坐標定位、後凸顯本色」之論述路徑。先以一句話扼要定錨中、日、韓之核心風格，建立比較基底；再從「材料混血性（竹漆結合）」、「歷史造形語彙（蓬萊塗與南國意象）」、「跨媒材整合（陶、玻、金工）」及「生活化輕奢定位」四個面向建立臺灣漆藝的不可替代性。

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選項分析 本題為專業科目申論題，非選擇題型。本題評分聚焦於兩大評分構面之完整度與邏輯關聯：

• 構面一：材料特性與設計出路（配分約 12～13 分）
• 失分陷阱：僅空談文創概念或泛泛列舉茶杯、盤子，未提及天然漆的化學聚合特性（漆酚、抗腐蝕、抗菌）、裝飾工藝技法或成膜後的觸覺美感，會被閱卷委員認定缺乏「工藝材料學」專業學理支撐。
• 得分關鍵：明確指出物理化學特徵，並對應到當代生活情境與綠色永續材質之訴求。
• 構面二：東亞各國對比與臺灣特色（配分約 12～13 分）
• 失分陷阱：僅孤立描述臺灣漆器，忽略題幹「相對東亞各國都有漆器的情況下」之比較前提；或將臺灣漆器盲目歸類為日式蒔繪之附庸，缺乏在地主體論述。
• 得分關鍵：準確梳理日治「山中公」台中工藝傳習所建立之「蓬萊塗」歷史脈絡，並結合臺灣盛產竹材之「竹胎（籃胎）漆器」作為關鍵差異化利器。

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解題技巧

1. 名詞精準置入：內文應自然穿插專業工藝材料詞彙，如「漆酚聚合」、「漆酶催化」、「夾紵（脫胎）」、「籃胎／竹胎」、「蓬萊塗」、「蒔繪」、「變塗（犀皮漆）」、「陳火慶與王清霜之技藝傳承脈絡」，能迅速建立專業權威感。
2. 矩陣式論述結構：

• 第一子題採【材料特性】$\rightarrow$【工藝優勢】$\rightarrow$【文創產品出路】三層結構。
• 第二子題採【各國優勢定位】$\rightarrow$【臺灣在地利基（材、形、技、用）】之對照架構。

3. 避免風格模仿迷思：強調臺灣漆器不應與日本拚精工蒔繪、不與中國拚宏大雕漆，而應走入「常民生活美學」、「綠色循環設計」與「混血跨界媒材」，展現海島文化的包容性。

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【答案】

一、從漆材料特性出發之文化創意產品設計出路

天然生漆自漆樹樹皮採集，主成分包含漆酚（Urushiol）、漆酶（Laccase）、樹膠質與水分。其硬化機理係在高濕（相對濕度 75%～85%）與常溫（20°C～25°C）環境下，經漆酶催化使漆酚分子交聯氧化聚合，形成堅韌立體網狀結構高分子漆膜。依此材料本性，文創設計出路如下：

1. 耐酸鹼、無毒耐溫與天然抗菌性 $\rightarrow$ 現代餐飲與茶道生活器物

核心觀念

本題測驗「金屬表面處理工程與裝飾工藝」之材料分類與表面披覆（Surface Coating）技術。主要考點涵蓋：

1. 表面披覆之定義與機能：金屬基材藉由物理、化學、電化學或熱力學方法，使異質保護層附著於表面，達成「防蝕保護（耐磨、抗氧化）」與「審美裝飾（色彩、光澤、質感）」雙重目的。
2. 覆膜材料之相變與鍵結機制：

• 金屬覆膜：金屬鍵結合，利用電位差、熱擴散或外加電解進行成膜。
• 有機物覆膜：共價鍵結合的高分子化合物，利用物理吸附、揮發乾燥、交聯硬化或靜電熱熔成膜。
• 陶瓷覆膜：離子鍵與共價鍵結合的無機非金屬（矽酸鹽、金屬氧化物/氮化物），利用高溫燒結熔融或氣相沉積成膜。

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解題方法

本題屬於標準的「分類比較型」專業申論題。答題切入策略如下：

1. 結構對稱化：依照題目所列之「金屬覆膜」、「有機物覆膜」、「陶瓷覆膜」三層次，各自分出「加工方法（原理解說與主要工序）」及「工藝案例（基材、製程與成品特徵）」，層次分明、條理清晰。
2. 貫穿傳統與現代工藝：各類覆膜的加工方法需兼顧「傳統手工具工藝技術」與「現代工業表面處理技術」，展現考生對工藝史與現代材料科學的融會貫通。
3. 案例具體化：工藝案例必須具備專屬名稱、基材搭配及代表性工藝作品（如：鎏金佛像、銅胎漆器、掐絲琺瑯器），不可僅泛稱「戒指」或「杯子」。

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選項分析

本題為非選擇題（申論題），無個別選項可供辨析。考生在作答申論題時，應注意各分類範疇之界限，避免發生觀念混淆：

• 混淆防範一：金屬氧化著色（如銅綠、發色）是否屬於披覆？ 陽極處理、化學發色屬於基材自身的「化成轉化膜（Conversion Coating）」，而非由外添加覆膜材料的「披覆（Deposition/Coating）」。本題應聚焦於外加覆層技術（如電鍍、塗漆、燒琺瑯）。
• 混淆防範二：陶瓷覆膜不可僅狹義理解為黏土磚瓦。 在工藝材料學中，陶瓷覆膜泛指無機非金屬玻璃質與金屬化合物塗層，最核心且具代表性的工藝即為「琺瑯（Enamel）」，亦包含現代 PVD 鍍氮化鈦（$\mathrm{TiN}$）等超硬陶瓷膜。

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解題技巧

1. 口訣記憶「金、漆、瓷」：

• 金屬覆膜記「鍍與貼」：電鍍、無電解鍍、熱浸、汞齊鎏金、金箔貼附。
• 有機覆膜記「漆與蠟」：天然大漆（金屬胎漆）、烤漆（壓克力/PU/環氧樹脂）、蜂蠟熱塗。
• 陶瓷覆膜記「熔與沉」：高溫釉燒（掐絲琺瑯/畫琺瑯）、氣相沉積（PVD 陶瓷硬膜）。

2. 陷阱避開：說明加工方法時，切忌只寫名詞（例如只寫「電鍍」），必須簡述其「作用原理」與「操作步驟」（如除油酸洗、電解液離子析出、水洗乾燥），方能取得高分。
3. 高分加分項：最後條列綜整三者在「結合機制」、「耐溫性」、「裝飾效果」的比較表，有助於大幅提升答卷專業度。

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【答案】

金屬工藝品之表面披覆加工，依覆膜材料類別分為金屬、有機物與陶瓷三大體系，其加工方法與代表性工藝案例如下：

一、金屬覆膜（Metallic Coatings）

(一) 加工方法

金屬覆膜係將另一種金屬或合金沉積附著於金屬工藝基材表面，常用方法包括：

1. 電鍍法（Electroplating）：以被鍍工件為陰極，披覆金屬為陽極（或惰性陽極），置於含披覆金屬陽離子的電解液中，通入直流電，藉由電化學還原反應使金屬離子在工件表面析出緻密結晶層（如鍍金、鍍銀、鍍銠）。
2. 傳統汞齊法（火鍍金／鎏金）：將黃金碎屑融於加熱的水銀中製成「金汞齊（汞膏）」，塗抹於經酸洗清潔之銅基材表面，隨後以炭火加溫烘烤，使水銀揮發（沸點 $357^\circ\mathrm{C}$），純金即牢固熔熔滲著於銅胎表面，最後以瑪瑙刀壓光。
3. 金箔壓貼／包金法（Leaf Gilding / Mechanical Cladding）：利用金屬優異的延展性，將貴金屬打造成微米級箔片，利用熱壓、物理卡扣或高溫擴散結合，包覆於金屬工藝品表面。

(二) 工藝案例：明清銅胎鎏金佛像

• 案例說明：傳統藏傳或中原金銅佛像造像。
• 應用製程：以青銅或紅銅精密鑄造、雕鏨出佛像主體後，表面塗布金汞膏，經炭火反覆加溫烤火抽汞，使黃金滲入銅胎表層，經瑪瑙棒反覆磨光、壓亮。此法使佛像具備極佳的耐候性與璀璨金光，歷經數百年風化依然光彩奪目。

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二、有機物覆膜（Organic Coatings）