複合材料具有質輕、高剛性、高強度、高設計自由度及耐腐蝕等眾多優點，被廣泛應用於各種結構物，如飛機、船舶、汽車、運動器材、工業生產設備和土木建築工程等。而複合材料的使用隨著時代進步、使用者需求的增加與能源的短缺…等，如運動器材的輕量化、風力葉片發電效能的提升、交通運輸工具的節能需求、與工業生產設備大型化需求…等，均使複合材料結構件朝向大型化與輕量化的趨勢。

複合材料特性
複合材料為結合兩種以上不同相的物質，由基材(樹脂)與強化材(纖維)所組成，擷取各組成性質的優點，形成新的材料，其中以纖維強化的複合材料性能較佳、應用亦較廣。

複合材料受應力作用時，其基材先變形，此時應力將由基材傳遞至纖維，所以複合材料主要受力為纖維，如圖一所示為複合材料受應力作用時應力與應變的圖形；纖維、樹脂彈性模數與纖維受力關係如圖二所示。

圖一、所示為複合材料受應力作用時應力與應變

圖二、纖維、樹脂彈性模數與纖維受力關係

複合材料在力學上的特點：
1. 比抗張強度高（抗張強度與密度比值）；比抗張彈性模數高（抗張模數與密度比值）
2. 具方向性（加強、減弱特定方向）。
3. 吸震力佳（高阻尼）。
4. 設計自由度高、產品多樣化。
5. 耐疲勞特性好。
6. 抗氧化、耐腐蝕。

複合材料性能提升技術需求
1. 改變複合材料纖維種類
為滿足因結構大型化所產生的結構剛性不足、變位過大或強度不足等現象，改變複合材料結構纖維種類有時變的不可避免的方法，以玻璃基板搬運機器人碳纖維複材機械手臂為例，利用較高模數的碳纖維，正好可解決複材機械手臂因自重過大與剛性不足所產生的變位過大問題，其它設備如Cassette、roller…等大型設備因剛性需求不同時僅需變更使用材料的剛性即可。

2. 提升樹脂強度與樹脂、纖維間的介面強度
有效應用複合材料纖維強度，降低因基材強度不足或基材與纖維間的介面強度不足所造成的強度折損。於複合材料應用中可有效減少複合材料疊層數，且可滿足結構輕量化。

3. 提升複合材料基材的制震性
於複材積層板中加入制震材料可有效提升複材結構的制震性，於文獻中即有相關案例，例如： Jihua Gou, Scott O’Braint研究出以carbon nanopaper 提升複材積層板的制震性；或如Toshio Tanimoto以PZT(piezoelectric ceramic particles) 提升複材積層板的制震性等。

複合材料應用
複合材料由於質輕及比強度高，抗腐蝕性佳。故近年來受到各行各業之青睞，加以在加工技術不斷精進，使得複合材料應用範圍更是無遠弗屆。1955年日本阪神大地震，多數橋樑北被震垮，今日已逐漸恢復舊觀，其復原能如此神速，端賴複材在橋樑修補技術之充分發揮。而常見之運動器材諸如自行車、高爾夫球桿、網球拍、羽球拍等等，無一不是複合材料所製成。複合材料所以能運用至如此深廣，完全拜其特異功能及各種加工方式而以致之。複合材料的應用諸如航空領域，太空領域，醫療設施，運動健身器材，工業生產設備，能源相關…等相關應用領域，這些應用有些為複合材料傳統應用之領域，有些則為近年使用者需求增加，或應用尺度的變化，或補傳統金屬材料之缺點等所衍生之應用，下述對目前比較熟知的應用依其需求與特性說明。
1. 航空領域之應用
航空器用材料必需具備之特性如下：
1.高比強度及比勁度；2.足夠抵抗10^{^7}次重復負載之疲勞強度；3.裂縫成長速度緩慢；4.長期抗腐蝕；5.優異之成型性與加工性；6.成本低。

隨著複合材料材質之不斷改良及提升，複合材料在航空器上使用部位亦隨著擴大，主結構件、次結構件以複合材料取代金屬材料更是比比皆是，表一為目前飛機複合材料應用變化情形，由此表知，複合材料應用的重點均希望能達到結構輕量化與提升設計自由度。

表一、目前飛機複合材料應用變化情形

2. 醫療設施之應用
利用複合材料製作醫療器材，主要著眼於複合材料之輕量化，目前已開發之器材包括輪椅、照射用床、義肢、假牙。在開發階段由於用複合材料製作之器材比傳統器材成本高，故初期不易推展。隨著器材原料價格降低及用複合材料製作之器材，其X光之吸收度為鋁1/5(CFRP為1.4%/m ，鋁為7%/m)，而以複合材料材質製作之醫療器材有良好的X光穿透性、高機械強度、輕薄精巧，故需求量增大。

圖三、複合材料於手術、照射用之醫療器材應用

3. 運動器材之應用
近年來運動休閒、複合材料及化工等相關產業之產品均走向高功能化、高強度化及輕量化之趨勢，而碳纖維複合材料具有質輕、高強度、高剛性、高韌性及耐腐蝕等眾多優點，其中將技術應用於高爾夫球桿、自行車、網球拍、健身器材等相關產品之研究，為傳統複合材料產業運動器材業提昇產品附加價值。

圖四、複合材料運動器材

4. 工業生產設備應用
近來由於技術的進步，工業生產設備有大型化的趨勢。以TFT-LCD與PDP產業為例，面板廠由四代廠的玻璃尺寸620×750mm到目前的八代廠玻璃尺寸2200×2800mm，所使用設備如玻璃基板搬運機器人碳纖維複材機械手臂(圖五)，其長度需求由1m(四代廠)到3.0m(八代廠)長。其他設備如Cassette bar、配向膜等印刷製程用roller…等，其尺寸的放大均與機器人碳纖維複材機械手臂的情況一樣。

圖五、玻璃基板搬運機器人碳纖維複材機械手臂

以上述應用為例，當複材構件構件尺寸變大時，重量之增加影響機械手臂裝卸玻璃或機械手臂高速移動(2.8m/秒)、旋轉(210°/秒)時產生位移、變形與震動，此位移、變形與震動產生的問題，影響機械手臂裝卸的運作。Cassette bar本身的自重變形，影響玻璃裝卸的運作。roller本身的自重變形及高速旋轉(2000rpm以上)時偏心振動問題影響印刷品質與產品的良率。從技術觀點看要降低自重變形與振動所造成的影響，需改變構件材料特性。目前工業生產設備的應用以提升複材構件剛性與震動性能為首要之務。 

5. 風力發電應用
提升風力發電的效能，風力發電用葉片大型化與輕量化為必然趨勢。碳纖的比剛性與比強度均為玻纖的4.5倍，因此要如何有效利用碳纖與玻纖的優點(玻纖價錢較便宜)，使風力葉片大型化；且如何選用適當的纖維與基材，設計適當的風力葉片製程，使風力葉片得以有效減重，且降低生產成本，皆為目前複材風力葉片應用重要課題。

6. 汽車應用
隨著能源高漲，節能可能成為未來汽車設計基本要求，要達汽車節能最直接簡單的方式就是汽車減重，車殼、車身結構由傳統金屬材料改變成複合材料可有效降低汽車重量，圖六為Toyota 全碳纖維複合材料車(全長：3.90M；全寬：1.62M；全高：1.41M；車重：420 kg)。其有效運用複合材料特性，提升複合材料積層板介面強度，減少複合材料疊層數與重量，維持汽車結構並該有的強度與剛性。

圖六、Toyota 全碳纖維複合材料車(500c.c.)

作者：盧廷鉅
出處：工業材料雜誌254期

★詳全文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6650