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高考申論題 110年 [技藝(選試陶瓷)] 工藝材料學

第 一 題

📖 題組:
請試述下列名詞之意涵:(每小題 5 分,共 20 分) (一)榫卯 (二)真空成型 (三)羊毛氈 (四)空窗琺瑯
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

榫卯

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看到「榫卯」,應先點出其為傳統木工的物理接合技法(凸榫凹卯)。接著必須從木材的物理特性(如各向異性、濕脹乾縮)切入,解釋為何此種結構能適應材料變形並達到穩固的力學結合,最後略提其外觀特徵與工藝應用。

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「榫卯」(Mortise and Tenon)為傳統木作工藝中用於連接構件的物理接合結構。其特徵包含:(1)結構原理:利用構件端部加工出凸出的「榫」與凹入的「卯」,透過幾何力學的咬合與摩擦力相互緊密契合。(2)材料適應性:木材具備「各向異性」及「濕脹乾縮」等物理特性,若使用金屬釘易因應力集中導致開裂;榫卯結構則利用木材纖維的微觀彈性,允許接點在溫濕度變化下微幅變形以釋放應力,避免結構破壞。(3)外觀特徵:結合處表面平整無縫,無需依賴金屬五金或化學膠合。實務應用廣泛見於傳統木構建築與明式家具,具備極高的結構強度、耐用度與可拆解修復性。

小題 (二)

真空成型

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看到「真空成型」,應立即聯想到「熱塑性塑膠」與「熱成型加工」。答題時需點出材料在特定溫度下的「高彈態」物理性質,並依序說明「加熱軟化、抽氣貼合、冷卻定型」的工藝流程,最後歸納其「薄殼狀、易產生厚度梯度」的成品特徵與應用領域。

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「真空成型」(Vacuum Forming)為一種熱塑性高分子材料的熱成型加工技法。其原理係利用熱塑性塑膠(如 ABS、PET、PS、PVC 等)加熱至玻璃轉移溫度(Tg)之上、熔點(Tm)之下所呈現的「高彈態」物理特性來進行塑性變形。特徵包含:(1) 加工流程:將固態塑膠板材夾緊並加熱軟化後,密封覆蓋於單面模具(公模或母模)上方,透過底部抽氣形成真空,利用外部大氣壓力使軟化的板材緊密貼附於模具表面,待冷卻固化後脫模。(2) 結構變形:因成型過程伴隨高分子鏈的宏觀拉伸,會導致成品局部(特別是深抽部位或轉角處)出現厚薄不均的現象,無法製作實心或具複雜倒勾結構之物件。(3) 成品特徵:具備薄殼狀、單面特徵明顯的幾何型態。實務應用上廣泛用於透明包裝盒、免洗餐具、產品外殼、汽車儀表板與大型立體招牌等,具備模具開發成本低、適合大面積薄壁零件快速量產之優勢。

小題 (三)

羊毛氈

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看到「羊毛氈」,應立即連結其作為「非編織工藝」的核心原理。解題時必須從微觀的「毛鱗片結構」切入,說明材料特性如何引發「氈化反應」,並簡述濕氈與針氈兩種主要加工技法如何利用此物理現象達到一體成型的宏觀結果。

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「羊毛氈(Felt)」是一種歷史悠久的非編織工藝(Non-woven),不經紡紗與梭織,直接利用動物毛髮(主為綿羊毛)纖維製成。其成型原理高度依賴材料的微觀結構:羊毛纖維表面具有覆蓋如屋瓦般的「毛鱗片(Cuticle)」,且纖維本身具天然的「捲曲度(Crimp)」。加工技法主要利用此特性分為兩類:(1) 濕氈(Wet Felting):利用熱水與鹼性介質(如肥皂水)破壞毛髮表面的氫鍵使毛鱗片張開膨脹,藉由外部反覆施加的摩擦與揉壓,使纖維相互交錯糾結,乾燥冷卻後鱗片閉合收縮,完成「氈化反應(Felting)」形成緊密結構;(2) 針氈(Needle Felting):利用帶有倒鉤的特製戳針反覆穿刺,以純物理外力強行牽引纖維上下交疊糾結以定型。宏觀特徵上,羊毛氈因無經緯線限制,可輕易達成無縫一體成型(Seamless)製作複雜立體曲面(如靴鞋、氈帽、軟雕塑),且受惠於纖維間包覆的大量靜止空氣,具備優異的保溫、防水抗風、吸音及緩衝減震等物理性能。

小題 (四)

空窗琺瑯

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作答時應先點出『空窗琺瑯』與一般琺瑯的最大差異——『無金屬底胎』。接著從材料物理學角度,解釋如何利用熔融玻璃釉料的『表面張力』填補鏤空金屬骨架,並提及熱膨脹係數對燒製成功率的影響,最後描述其透光如彩繪玻璃的宏觀特徵。

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「空窗琺瑯」(Plique-à-jour)是一種無金屬底胎支撐的透光琺瑯工藝,視覺效果宛如微縮的教堂彩繪玻璃。其特徵與加工技法包含: (1) 結構原理:以金屬絲(如金、銀)或鏤空金屬板建構封閉網格骨架,將透光琺瑯釉料(矽酸鹽玻璃粉末)填入鏤空處。 (2) 材料特性:因無底胎,加工極度仰賴玻璃釉料在窯燒熔融狀態下(約700-800°C)的「表面張力」及對金屬邊緣的附著力來成膜,需經多次薄層填釉與反覆燒結。

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