107 高普考高考三級 工業設計 材料及製造程序（包括金屬及塑膠） 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對「複合材料（Composite Materials）」基本學理定義的掌握程度，以及將材料工程知識連結至工業設計與日常生活產品之應用能力。涉及的核心觀念包括：

1. 複合材料的工程定義：由兩種或兩種以上物理、化學性質互異的材料，以人為方式在巨觀（Macroscopic）尺度下組合而成，各組成相之間保有清晰界面（Interface），並產生超越單一成分之綜效性能（Synergistic Effect）。
2. 組成的兩大核心相：

• 基材（Matrix Phase）：為連續相，主要功能為包覆、固定強化材、傳遞外力負載，並保護強化材免受環境磨損或化學侵蝕。常見基材有聚合物（PMC）、金屬（MMC）與陶瓷（CMC）。
• 強化材（Dispersed / Reinforcement Phase）：為分散相，主要承受外力應力，賦予複合材料高強度、高剛性、耐高溫或導電等特性。常見形態包含纖維狀（Fibers）、微粒狀（Particles）與晶鬚狀（Whiskers）。

3. 性能綜效原則（混合律）：材料性質常依組成比例與微觀幾何排列呈現綜合優勢，理想情況下彈性模數可由上界混合律描述： $E_c = V_m E_m + V_f E_f$ 其中 $E_c$ 為複合材料彈性模數，$V_m, V_f$ 分別為基材與強化材的體積配比，$E_m, E_f$ 為其各自的彈性模數。

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解題方法

本題為標準的申論型名詞解釋與列舉應用題，作答應採取「架構清晰、要素完整、實例具體」之切入策略：

1. 定義部分（採四要素架構破題）：不可僅寫「由多種材料混合而成」，必須完整闡述「組成相（基材與強化材）」、「結合尺度（人為巨觀組合）」、「相界面特徵（不相溶且具物理邊界）」與「綜效性（強度、剛性、輕量化互補）」，展現科班專業深度。
2. 實例列舉部分（採四格分析法闡述）：針對題目所求「三種日常生活中的複合材料」，每一實例均需明確寫出：

• 材料通用名稱與英文縮寫。
• 基材（連續相）成分。
• 強化材（分散相）成分。
• 具體日常生活產品及利用之物理/機械特性（如高比強度、耐衝擊、耐腐蝕等）。

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選項分析

本題為國家考試專業科目之申論問答題，無選擇題選項。依歷年閱卷給分標準與試題核心要件，答題要點深度分析如下：

• 子題一：複合材料定義之答題標準：
• 滿分要件：必須清楚指出「兩相結構（基材＋強化材）」與「巨觀邊界」，並說明兩者非化學融合（如合金），且具備單一材料無法達成的綜效。
• 失分陷阱：僅提及材料名稱混合（如塑膠加玻璃），未論及界面傳力機制或誤將「合金（Alloy）」、「塑膠共聚物（Copolymer）」歸類為複合材料。
• 子題二：三種日常生活實例之適切性：
• 適切實例一：玻璃纖維強化塑膠（GFRP / FRP）。日常生活極為普遍（浴缸、安全帽外殼、衝浪板），以聚酯樹脂包覆玻璃纖維，兼具輕量、耐水與韌性。
• 適切實例二：碳纖維強化塑膠（CFRP）。常見於運動休閒與交通工具（公路車車架、羽球拍、釣竿），以環氧樹脂結合高模數碳纖維，具備極致比強度與比剛性。
• 適切實例三：鋼筋混凝土（RC）。生活周遭建築與土木結構本體，以混凝土為基材（耐壓）、鋼筋為強化材（耐拉），完美互補抗拉與抗壓性能。亦可選用「複合橡膠輪胎」（橡膠基材＋碳黑微粒/鋼絲簾線）。
• 不合規實例（評分禁忌）：黃銅、不銹鋼（屬金屬合金，晶格尺度固溶，無巨觀界面）；膠水黏合之純木料（除非指明合板之正交結構，否則一般木材雖屬天然複合材料，但工設考題側重人造工程複合材料）。

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解題技巧

核心觀念

本題旨在評量考生對「材料生命週期（Life Cycle Assessment, LCA）」、「循環經濟（Circular Economy）」以及「材料工程特性與加工成型法」的跨領域整合能力。依據命題當年（民國 107 年）《廢棄物清理法》第 15 條及相關公告應回收廢棄物項目，日常可回收物品之學理核心在於其物理或化學性質具備「可再加工性（Reprocessability）」，依材料家族可歸納為四大機制：

1. 熱塑性高分子（Thermoplastics）的可逆相變：分子鏈之間主要以凡得瓦力（Van der Waals force）或氫鍵結合，受熱後次級鍵被破壞而熔融軟化，冷卻後重新固化，可透過物理機械回收重複加熱再塑型。
2. 金屬材料的重熔冶金（Secondary Smelting）：金屬原子鍵結（金屬鍵）在重熔過程中不發生不可逆之本質裂解，二次熔煉所需能量遠低於原生礦石精煉（如鋁合金二次熔煉能耗僅約原生電解鋁的 $5\%$）。
3. 無機非金屬（玻璃）之低能耗重熔：矽酸鹽網狀非晶質結構經高溫加熱可重塑均質化，無分子量降解問題，添加「碎玻璃（Cullet）」可顯著降低熔爐熔點與耗能。
4. 天然纖維素（紙類）之解離重組：木質纖維具備親水性，可藉由水力打漿將交織之纖維重新分散並抄造成紙。

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解題方法

本題為高考三級專業科目之申論題，若僅單純寫出五個名詞（例如「寶特瓶、鋁罐、鐵罐、玻璃瓶、紙箱」），難以在技術類科取得高分。高分答題架構應具備「材料學定位」與「製造加工程序」：

• 第一步：選材涵蓋性：涵蓋熱塑性塑膠、有色金屬、黑色金屬、無機非金屬（玻璃）、天然纖維材料五大類，展現廣度。
• 第二步：標準四段式作答結構：每一種物品皆依循【生活物品名稱】 $\rightarrow$ 【工程材料學名及代號】 $\rightarrow$ 【回收再製工法與物理機制】 $\rightarrow$ 【再生應用端】進行規格化論述。
• 第三步：扣合「製造程序」：精準標註各材料在回收加工中所採用的工業成型法（如：破碎造粒、吹瓶成型、電弧爐熔煉、水力打漿抄紙等）。

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選項分析（命題對象與選材取捨分析）

本題屬開放式列舉申論題，評閱標準取決於考生所選「日常物品」是否具備材料工程上的典型代表性，以及是否能清楚區辨「不可物理回收」之材料盲點：

1. 熱塑性塑膠製品（選取：寶特瓶／PET）

• 正確原因：寶特瓶屬於熱塑性聚酯，分子鏈未發生化學交聯，熔融指數適中，為全球與台灣回收產能最成熟之高分子容器。
• 反例排除：不可選取美耐皿餐具（三聚氰胺甲醛樹脂）或環氧樹脂餐盤，因其為「熱固性高分子（Thermosets）」，加熱會直接碳化分解而無法融化再製。

2. 有色金屬製品（選取：鋁製易開罐／AA3000系鋁合金）

• 正確原因：展現高比強度的變形鋁合金（Wrought Aluminum），熔點低（約 $660^\circ\text{C}$），無損耗重熔效益極高。

3. 黑色金屬製品（選取：馬口鐵罐／鍍錫低碳鋼板）

• 正確原因：底材為鐵碳合金，具備鐵磁性（Ferromagnetism），便於以磁選機進行高效自動化分選，化學去錫後可直接進入煉鋼程序。

4. 無機非金屬製品（選取：透明玻璃容器／鈉鈣玻璃）

• 正確原因：成份為 $\text{SiO}_2\text{-Na}_2\text{O-CaO}$，化學惰性高，100% 可閉迴路（Closed-loop）循環。
• 反例排除：不可選取耐熱玻璃鍋或強化磁磚，因其熔點與膨脹係數與一般容器玻璃差異極大，混入會造成再生玻璃熔融時產生結石或破裂缺陷。

5. 生物質纖維製品（選取：瓦楞紙箱／未漂白牛皮紙漿）

• 正確原因：長纖維結構經水解後容易重新交織，物理打漿重造性佳。

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解題技巧

1. 破題術語精準化：將口語轉化為材料工程術語，例如不寫「寶特瓶塑膠」，寫「聚乙烯對苯二甲酸酯（PET）」；不寫「鋁罐」，寫「變形鋁錳合金（AA3004）」。

核心觀念

本題測驗高分子材料的核心分類架構及其在工業黏著劑（Adhesives）上的實務應用。核心觀念聚焦於：

1. 高分子化學結構與鍵結型態：

• 線型／支鏈型結構與分子間二次鍵（凡得瓦力、氫鍵）。
• 三維網狀共價交聯（Covalent Cross-linking）結構。
• 輕度交聯（Lightly Cross-linked）與捲曲分子鏈的高彈性行為。

2. 熱機械性質與熱可逆性：

• 玻璃轉移溫度（Glass Transition Temperature, $T_g$）與融熔溫度（Melting Temperature, $T_m$）。
• 加熱軟化／冷卻硬化之物理可逆過程，與受熱交聯固化不可逆之化學反應機制。

3. 典型工程材料之學名與商品化黏著劑之對應。

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解題方法

本題為標準的觀念定義與工程實務列舉之申論題，作答時應採雙維度結構化切入：

1. 第（一）子題——定義說明： 評分關鍵在於「微觀分子構造」與「宏觀熱／力學行為」兼備。不可僅以「受熱會不會融化」帶過，必須點出分子鍵結形式（如化學交聯、次級鍵）、熱反應機制（可逆或不可逆）以及力學變形機制（如彈性體的形變與回復能力）。
2. 第（二）子題——材料列舉： 每一類別列舉時，應優先採用「化學全名／通用學名」，並於括號中補充「常見商業俗稱或工業應用產品」，展現工業設計與材料製程整合的專業度，避免因僅寫白話俗稱（如「白膠」、「強力膠」）而痛失分數。

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評分要點與答題架構剖析（非選擇題申論分析）

本題為非選擇題，評閱標準與給分重點解析如下：

• 第（一）小題採分重點：
• 熱固性：關鍵字為「三維網狀結構」、「共價鍵交聯」、「不可逆化學反應」、「再次加熱不熔融而裂解」。
• 熱塑性：關鍵字為「線型或支鏈型分子鏈」、「分子間二次鍵結合」、「物理可逆性」、「重複加熱軟化熔融、冷卻固化」。
• 彈性體：關鍵字為「高分子鏈呈捲曲狀」、「低度交聯」、「$T_g$ 低於室溫」、「外力下具高彈性變形量且可完全回復」。
• 第（二）小題採分重點：
• 各大類別須嚴格對應，選取材料界定無爭議之黏著劑。例如氰基丙烯酸酯（快乾膠）因常溫陰離子聚合反應性質常引發熱塑／熱固歸屬爭議，考試時應避開爭議性材料，選用結構與分類極其明確之代表性材料（如環氧樹脂、PVAc、氯丁橡膠）。

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解題技巧

1. 微觀結構心像記憶法：

• 熱塑性：如「煮熟的長條麵」，分子鏈相互交疊但未共價鍵結，加熱後分子滑動流動（可逆）。
• 熱固性：如「烘烤後的蛋糕」，原料反應形成立體立體骨架，再次烘烤只會燒焦碳化，無法還原回麵糊（不可逆）。
• 彈性體：如「彈簧床與漁網」，平時分子捲縮，受到拉力展開伸長，靠少數交聯節點拉回原狀。

2. 作答避坑原則：

• 舉例切忌寫過於泛稱的「橡膠膠水」、「塑膠膠水」，閱卷委員無法給分；必須明確寫出高分子種類，例如「聚乙酸乙烯酯」或「乙烯-乙酸乙烯酯共聚物」。
• 彈性體需強調其在常溫下處於高彈態（$T_g < \text{室溫}$），這是其具備彈性的根本熱物理依據。

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【答案】

（一）熱固性、熱塑性以及彈性體之定義

核心觀念

1. 鐵類金屬（Ferrous Metal）材料特性：主要以鐵（$\text{Fe}$）為基底之金屬材料（如碳鋼、合金鋼、鑄鐵等），多數具備強「鐵磁性」（Ferromagnetism）以及可百分之百反覆熔融再製（Recyclability）的閉環生命週期特性。
2. 回收工程之生命週期工序：工業材料之回收涵蓋兩大關鍵階段：

• 前端物理分離／富集階段：利用材料特有的物理性質（如密度、磁性、電導性），將目標金屬自混合固體廢棄物（如生活垃圾、報廢汽機車碎料）中分選純化。
• 後端冶金熔煉／再生階段：將回收之廢金屬（Scrap）投入工業冶煉爐重新熔化、除雜與精煉，使其回歸可用之原物料規格。

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解題方法

本題要求列舉 2 種回收鐵類金屬之技術名稱。最佳切入架構為**「前端物理分選技術」與「後端冶金熔煉技術」**各列舉一種，能同時展現對回收分選及材料再生製程的完整理解：

1. 技術一：磁選分離技術（Magnetic Separation Technology）

• 工藝原理：利用鐵類金屬具有高磁導率及強鐵磁性之物理特徵，使用強磁場將其自破碎後的混合廢棄物中吸附並分離。
• 操作方式：混合碎料送入皮帶輸送機時，透過「懸掛式跨皮帶磁選機（Overband Magnet）」、「滾筒式磁選機（Magnetic Drum Separator）」或「磁力驅動輪」，將具磁性的鋼鐵雜質直接吸起並卸入廢鐵收集槽，非磁性物質（如塑膠、木材、泥土、非鐵金屬）則依慣性拋出，達到高效率分離。
• 應用場域：報廢汽機車粉碎線（ASR）、都市垃圾焚化底渣（IBA）資源化、廢家電粉碎回收產線。

2. 技術二：電弧爐熔煉再生技術（Electric Arc Furnace Melting, EAF / Secondary Steelmaking）

• 工藝原理：利用人造石墨電極與廢鋼料之間產生的電弧放電，將電能轉換為逾 $3000^\circ\text{C}$ 的電弧高溫，使爐內廢鋼快速熔化成液態鋼水（熔點約 $1500^\circ\text{C}$ 至 $1535^\circ\text{C}$）。

核心觀念

本題旨在評量考生對「高分子材料加工特性」與「塑膠成型製造技術」之理解與歸納能力。核心觀念包含：

1. 熱塑性塑膠之流變與成型機制：熱塑性高分子（Thermoplastics）具可逆的「加熱軟化熔融、加壓流動填模、冷卻固化定型」物理變化特性。
2. 製品幾何形態與成型工法之對應：不同的成型方法對應特定之產品結構（如：複雜三維薄殼實心構件對應射出成型；中空封閉瓶罐容器對應吹塑成型；連續等截面構件對應押出成型）。
3. 製程參數與工藝要素：包含材料進給、塑化熔融、施壓填模、模具冷卻、脫模頂出等循環週期（Cycle time）控制，以及伴隨之收縮率、流動結合線與脫模斜度等設計考量。

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解題方法

本題為開放式申論題，答題策略應挑選工業設計實務中最具代表性、應用最廣泛且幾何特徵對比強烈的兩種技術進行論述（推薦選擇「射出成型」與「吹塑成型」）。

論述切入點必須採取「模組化結構」展開，針對每一種製造技術依序剖析：

1. 基本原理與製程循環（How it works）
2. 適用材料與產品特徵（Materials & Applications）
3. 優缺點與設計考量（DFM）（Pros, Cons & Design Constraints）

此架構能展現考生兼具「材料科學理論」與「工業設計工程實務」的完整知識體系。

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選項分析

本題屬申論題型，無既定選項。國考常見之塑膠加工技術候選清單及其在試卷上的適用定位如下：

• 射出成型（Injection Molding）：【最佳選答之一】高分子加工之核心骨幹，結構最精密、量產規模最大，最能展現考生對模具、肉厚、結合線等細節知識的掌握度。
• 吹塑成型（Blow Molding，中空成型）：【最佳選答之二】幾何形態屬於「中空封閉容器」，與射出成型的「三維立體薄殼件」形成鮮明對比，便於閱卷委員辨識考生的知識廣度。
• 押出成型（Extrusion Molding）：適合說明長條連續等截面產品（如管材、異型條），但對外觀造型變化的論述空間較小。
• 真空熱壓成型（Thermoforming / Vacuum Forming）：適合大面積淺殼件或包裝泡殼，製程較簡易，常作為輔助補充工法。
• 壓模成型（Compression Molding）：多用於熱固性塑膠，屬較傳統工法。

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解題技巧

1. 圖文並茂原則：申論作答時，以簡單流暢的文字標註「製程流程圖（流程箭頭）」與「核心機構名稱（如螺桿、料管、模穴、胚管）」，可大幅提升卷面專業度。
2. 務必納入設計準則（DFM）：身為工業設計類科考生，切忌只默寫機械原理。必須點出「均勻肉厚」、「脫模斜度（拔模角）」、「熔合線（Weld line）」或「分模線（Parting line）」等設計關鍵字，方能取得頂標分數。
3. 常見失分陷阱：避免只寫出粗淺的常識描述（如「把塑膠加熱倒進模子冷卻」），必須精確使用工程名詞（如「塑化」、「充填」、「保壓」、「頂出」）。

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【答案】

高分子（塑膠）產品之製造工法多樣，依題目要求，選取工業設計領域最核心且應用最廣之兩種技術——「射出成型（Injection Molding）」與「吹塑成型（Blow Molding，或稱中空成型）」，分述如下：

一、 射出成型（Injection Molding）