產品結構輕量化可提升產品性能，增加產品價值。若要達到產品結構輕量化，最直接的方法就是使用高比剛性的複合材料改變結構製造所使用的材料，除此之外，尚可利用提升結構設計技術（降低模擬設計的安全係數）、降低產品製造與結構設計的差異性與提升結構製造使用材料的性能等方式來達成。
結構輕量化技術
材料結構輕量化主要目的為減輕結構體重量，以節省材料的使用，同時提升結構的效能，並促使結構得以朝大型化發展。許多結構有大型化的實際需求，包括風力發電用的葉片（圖一）、大型面板如TFT-LCD與PDP產業所使用玻璃基板搬運機器人之碳纖維複材機械手臂（圖二）、Cassette Bar（圖三）、配向膜等印刷製程用Roller、其他工業印刷用Roller於不同位置，Roller有不同的剛性與重量要求（圖四）、TFT-LCD支撐桿等應用產品，尺寸隨需求不斷地加大。為了使結構得以輕量化與大型化，需透過材料技術來實現，包括提升材料結構模擬設計技術（降低模擬設計的安全係數）、設計使用高比剛性的複合材料、降低產品製造與結構設計的差異性與提升結構製造使用材料的性能等技術。
圖三、Cassette Bar
1. 提升材料結構模擬設計技術
提升材料結構設計技術乃指增加模擬設計能量，使模擬設計結果與產品實際量測的差異性降低。此技術藉由對材料性能（應力與應變關係及材料破壞力學特性）的掌握，配合適當的數值模擬方法，以期精確評估結構由承受載重至結構破壞的力量與變形關係，如此可降低結構設計數值模擬時的安全係數、達到結構設計輕量化之目的。
目前傳統的結構模擬設計分析軟體如ANSYS、ABAQUS等，是將測試試片的實驗量測結果（應力與應變曲線）當作已知的材料物理特性。藉此已知的物理特性與結構可能的受力條件，經由整體結構的離散化與數值計算，而獲得整體結構應力與應變的反應，經由安全係數（由實驗量測結果或設計經驗假設）評估結構的承載力。由此方式所獲得的結構承載力，因結構分析時僅考量材料拉伸或壓縮測試結果，所以評估結構承載力時必須給予較大的安全係數，以確保結構的安全性。先進的結構模擬設計分析軟體技術能夠藉由微觀力學的觀點去分析每一個單元，觀察單元應力是否達所有破壞準則（Tsai-Hill、Tsai-Wu、Max Stress、Max Strain等）可能破壞的臨界條件。
2. 複合材料設計與製造技術
目前結構用複合材料應用的多樣化，趨向大型化與輕量化，且為提升複合材料結構受載重之承載能力與變形能力。提升複合材料物性為複合材料業界當務之急。於材料選擇部分，可選用比剛性較高的材料，使結構減重，達輕量化的目的，但比剛性較高的材料會有韌性不足、阻尼比過低等不佳的現象，而影響結構特性。提升製造結構構件時使用的材料性能，例如提高複合材料疊層間與纖維、樹脂間的介面強度，如此可提高複合材料疊層破壞的強度及複合材料承載力。以下說明如何使複合材料結構輕量化的方法。
(1)改變複合材料纖維種類：
為滿足結構輕量化需求，以及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是不可避免的方法。以玻璃基板搬運機器人碳纖維複材機械手臂為例，因手臂結構尺寸變大，結構重量增加，利用較高模數的碳纖維，可解決複材機械手臂因自重過大與剛性不足所產生變位過大的問題。因碳纖維複合材料具有極高的比抗張模數之特性，表一為常用金屬與碳纖維之密度、剛性與極限應變，由此可知碳纖維比剛性較傳統金屬材料高10倍以上、Pitch系的碳纖維有較Pan系碳纖維更佳的比剛性；圖七為不同材質的樑於靜荷重下（不含自重），樑跨度與變形的關係，由此可知，使用較高彈性模數的材料，可降低荷重產生的變形，達結構輕量化設計。
圖七、樑跨度與變形關係
(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，可使複合材料設計應用時，減少複合材料疊層數，滿足結構輕量化的需求。以奈米技術提升複合材料疊層間與樹脂、纖維間的特性，利用複合材料積層板壓力強度試驗，驗證樹脂強度與樹脂、纖維間的介面強度，由實驗結果可知，未添加奈米材料的複合材料，其破壞機構纖維表面光滑（圖八）；而添加奈米材料的奈米複合材料，其破壞機構纖維表面附著很多的樹脂（圖九），代表著利用奈米材料加入樹脂中，可改善樹脂、纖維間的介面強度，有效提升複合材料積層板破壞強度…以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文
作者：盧廷鉅/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌288期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9012