工業材料雜誌十一月號推出「材料創新4.0—材料資訊技術與應用」及「微孔化技術發展」兩大技術專題

 

刊登日期:2020/11/4
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推動新材料發展的人工智慧
目前,新材料研究與開發主要是以Trial-and-Error的方式進行,它是基於大量經驗指導以及少量的模擬計算作為補充下而執行的實驗,會消耗大量的人力、時間、材料和資金。因此,亟須尋找一種新的研究方法,使大量的材料資訊數據能被妥善利用,來加速材料的創新!AI的出現為材料科學發展帶來了新的曙光,其從簡單的感知器發展成了複雜的多層神經網絡,一些先進的AI系統甚至可擊敗國際象棋、圍棋等領域的世界冠軍。在科學應用方面,AI技術下的重要分支—機器學習(ML)可結合材料研究轉為材料資訊學,近年來該領域發展迅速,它是AI在材料科學研究中最有前途的應用,特別的是它可以從通過數據集和構建模型來進行材料研發方向的預測,幫助研究者有效地獲取不同特徵因子之間的隱藏關係、預測各種新功能材料的可能結構或屬性、優化合成參數使現有材料的特性表現升級。

由於大數據分析的興起,已有越來越多領域將大數據分析技術導入並有良好的成果,而材料領域中的大數據分析技術以材料資訊學(MI)最廣為人知。MI所使用的技術中,除了材料領域知識,資料科學方面主要可以分成數據收集、數據管理、數據分析及數據預測等部分,透過這些技術能夠有系統地處理大量的數據並從中獲取關鍵資訊,也已經有許多將MI的技術應用於材料開發及製程優化的案例。「陶瓷材料資訊(CMI)之應用與發展趨勢」介紹MI目前應用,以及其於陶瓷材料資訊之技術整合與應用,包含國際上在陶瓷與玻璃材料領域應用MI的進展,最後提出目前技術發展所遇到的困難點及未來的發展方向。

近年來,隨著資料量的迅速增加,使用電腦進行歷史資料分析的技術快速發展,其中「資料探勘」就是海量資料底下孕育而生的產物,是一門從大量資料或者資料庫中萃取出隱含之潛在資訊的科學。資料探勘為跨多種學科的電腦科學,包含人工智慧、機器學習、統計學和資料庫的交叉方法。利用機器學習強化的文字探勘技術,從大量與材料有關的文獻資料中擷取、分析,並建立加值資料供使用者更有效率地利用。透過加值資訊與知識庫,可輔助建立有效的訓練語料庫,回饋給各種機器學習應用去有效認知更多文本所帶來的資訊,例如應用上使用者可以在延伸系統中檢索相關材料的使用限制,並提供材料的知識圖譜與使用的建議。整合上述方法,「文字探勘材料應用技術」一文以有機能源材料作為應用案例,介紹如何實際利用文獻資料蒐集能力,以資料探勘方法尋找新材料及新應用方向。

智能化整合AI技術是未來的產業趨勢,現今各個產業都在思考該如何導入,台灣紡織業面對全球產業興起的態勢,需思考如何讓產品更快進入市場,才能適應智慧製造的國際趨勢。近年來,在工業4.0的興起之下,紡織產業也面臨了轉型的機會。紡織產業是傳統產業的重要一環,也是現在社會中民生用品不可或缺的要角。但對於長期仰賴高密集人力、加工過程中變因眾多、製程工序長而繁雜的紡織業來說,數位轉型會比其他產業來得困難。染整業是目前紡織產業鏈根留台灣的重要關鍵之一,高技術門檻紡織品生產更是維持高度競爭力的關鍵。「紡織染整產業智能化應用與未來發展」將檢視台灣染整業製造現況以及智能化應用對紡織染整技術的影響與未來發展。

運用機器學習平台開發噴墨用高安定色漿」一文介紹以工研院材料與化工研究所建立之機器學習平台(MACSiMUM)輔助進行高安定色漿之開發。利用少量高準度數據整理,進行機器學習平台的神經網路模型建立與演算法參數調整進行分析計算,藉由建立好之機器學習模型,可快速預測不同研磨分散製程參數條件所得之色漿平均粒徑及粒徑分布度,與實際驗證實驗之結果比對,確認機器學習預測的相對準確率。機器學習模型預測研磨分散結果的平均粒徑之相對準確率達95.2%以上、預測粒徑分布之相對準確率達92.4%以上。根據目前建立之機器學習模型可快速預測研磨分散結果,有效幫助開發高安定性色漿。

Less is More—微孔化技術發展
在全球人類對生活品質的重視度提升以及產業藉由輕量化來達到環保訴求等趨勢的驅動下,輕量化材料近年來在建築、居家、醫療、航空及運動領域的應用上有著大幅度的成長。此外,面對全球資源的短缺、節能減碳效應持續發酵,如何降低二氧化碳的排放並透過對自然資源的管理來達到永續環境,是全球目前普遍的共識,尤其是在大眾皆需要的運輸相關領域及產業,受到相當程度的影響及衝擊。如何在透過新的結構設計與最少材料使用下,仍能符合/增進使用上的特性需求,是運輸產業與相關供應鏈不斷積極布局的方向。面對這樣的挑戰,降低材料密度以減少重量及使用量為最常見的方法,而在高分子材料中,即是利用微孔化技術來達到這樣的目的。「少即是多」的微孔化技術,能同步瞄準機能提升與永續環境的雙重目標,為人類建構更美好的未來!

塑膠為兼具質輕、易加工、低成本、成型自由度大、技術發展成熟等優點的材料,而射出成型是目前塑膠生產最主要的加工方式之一,其中所使用到的微細發泡射出成型技術,兼具環保節能、省料、縮短循環周期、降低成本等優點。微細發泡中所使用的超臨界流體,其黏度接近於氣體、密度接近於液體,具高質傳效率、低表面張力以及溶解度可隨溫度、壓力調控等特性。由於高分子發泡材料具有質量輕、彈性好、緩衝防震等優點,適用於汽車輕量化,「車用材料輕量化應用」一文探討超臨界射出發泡應用於車用塑膠輕量化的相關技術發展,期許具備完整汽車複材產業優勢的台灣,能有機會切入全球汽車複材需求供應鏈體系。

發泡材具有高回彈、低密度及技術發展成熟等優點,一直受到相當之注目,同時因為全球對生活品質的重視度提升以及產業訴求從輕量化達到環保目標,因此發泡材在建築、居家、醫療、航空及運動等領域的應用成長大幅提升,其中又以體育相關產業成長幅度最高。過往使用大量不可回收之發泡材,如交聯PU與交聯EVA等,因應全球的限塑政策與循環經濟訴求,都需轉向尋找可回收再利用、可降解或水溶性及可持續發展使用之可再生資源。超臨界流體發泡能有效地利用在熱塑性彈性體賦予其優越的發泡後特性,「高彈性發泡材料」一文將分上、下集,探討超臨界發泡製程的相關技術發展。

高分子發泡材料不僅質量輕,並具有優良的性能,在機械、化工、食品、裝飾、建築、運輸與電子等領域被大量使用,包括隔熱、隔音、防震、緩衝、過濾/分離濃縮、汽車、建築/結構與包裝等用途,在特性與成本上是其他很多材料所無法比擬的。然近年來由於海洋塑膠污染問題日益嚴重,根據研究,每年約有800~1,300萬噸的塑膠被流入全球海洋環境,聚苯乙烯發泡塊(保麗龍)及塑膠珠是最常見的海洋塑膠污染來源。塑膠垃圾對海洋與環境的污染已成為繼氣候變遷的人類第二大威脅,每年會對全球海洋造成130億美元的傷害。因此,開發由可再生資源來的可持續發展材料備受關注。「生質發泡材料技術與應用」將介紹幾種目前正在發展的環境友善生質基發泡材料,包括:澱粉、纖維素/紙、聚乳酸、聚羥基烷酸酯以及生物碳材。

在現今社會,高分子發泡材料與我們的生活密不可分,從建築物的地板及家具、汽車內部零件,到鞋業製造及材料包裝,因其具備良好的隔音隔熱、抗衝擊性、輕量化、回彈性及耐磨性等,被廣泛應用在各領域中。然而,高分子的發泡過程,在現今仍舊無詳細的探討,我們只能透過冷卻後的樣品去分析泡孔的型態來回推高分子的發泡行為。而在這方面的研究,全球只有少數的團隊有所著墨,「微孔加工視覺化技術回顧」聚焦於批次發泡、射出發泡兩種加工方式,將帶領讀者一起回顧高分子發泡材料視覺化的技術發展歷程。

主題專欄
磁性材料本質具有磁性的南北極,是一個可以作為二進位位元計算的材料,用來定義0與1,此為磁記憶體的基本運作概念。電磁材料專欄「磁性記憶體科技的演進」一文首先簡介磁性材料的基本性質與磁性異向性,作為磁記憶體在設計上的一種參考;接著介紹磁性記憶體面臨的三個要求:儲存、讀取、寫入,針對各個面向的需求、基本工作原理以及可能面臨的問題探討;繼之點出現有的自旋轉移矩寫入技術所面臨的問題,藉此導出未來可能脫穎而出的自旋軌道矩寫入技術;最後總結磁記憶體科技整體的優點以及未來應用相關的展望。

儲能系統具備增加尖峰供電量之削峰填谷功能、再生能源尖峰供電能力、降低備轉容量等多元效益,成為國際間電力供應與電網建構事業晚近重要技術。同時因再生能源與儲能產業發展之用,先進國家也開始將儲能列為重點發展產業。而台灣在儲能相關技術上,最早自不斷電系統相關產品逐漸擴大到工業用定置型電源、場域用電管理與防災備援用途等產品線,晚近也投入國內電網用場域示範運行、再生能源搭配儲能系統,逐步累積產品、技術實力。市場瞭望專欄「台灣電網用儲能產業發展五年回顧」一文將就近五年來國內電網用儲能產業過往發展進程做初步盤點,同時分析2015~2020年間針對台灣相關產業年度調查,提供各界後續對產業未來前景展望之參考。

國內5G行動通訊已於2020年7月正式上路,目前主要電信商之佈建頻段以Sub-6G為主;然在後續完備mMTC與低延遲等特性需求下,未來需仰賴提升通訊頻率至毫米波頻段,以擴增傳輸頻寬與降低訊號延遲。提高操作頻率至毫米波頻段,首先面臨的問題在於材料對電磁場訊號之關係,需有效了解材料於毫米波頻段下其介電特性之行為。延續上期對各種介電量測技術的介紹,本期「毫米波材料介電特性量測技術(下)」進一步展示工研院材料與化工研究所自行開發之相關毫米波頻段材料介電特性量測平台,該微波介電材料測試實驗室為全台第一個通過微波介電材料量測之TAF認證實驗室。本系統搭載之演算法與量測治具,目前可量測超薄軟板(<20μm),並可測試微擾法無法量測之厚板(200μm~1mm),為第一個可以涵蓋20 GHz~110 GHz頻率且市售基板厚度皆可量測之毫米波材料介電量測系統,且可依照客戶進行相關客製化與自動化量測需求,同步建立相關材料樣品準備技術。

聚醯亞胺樹脂是一種含有醯亞胺基的有機高分子材料,其製備方式主要是由雙胺類及雙酐類反應聚合成聚醯胺酸高分子,之後經過高溫環化脫水形成聚醯亞胺高分子,由於其具有優異的熱安定性及良好的機械、電氣及化學性質,一直是高性能高分子材料的首選。近年來國內半導體、電子、通訊等相關產業蓬勃發展,帶動國內經濟發展,對於電子用化學品和材料的需求亦日益提升。聚醯亞胺以其優越的性質,在電子材料上扮演著極重要之角色,尤其在對材料要求嚴格的電子工業上,一直處於關鍵性材料的地位,其應用如高溫膠帶、軟性電路板、IC封裝的感光性聚醯亞胺絕緣層、LCD的配向膜等。本期「高分子的百年盛事」特別報導之「聚醯亞胺(PI)樹脂的發展」一文,探討聚醯亞胺的合成原理與相關應用,並說明工研院材化所在高頻軟板材料技術之開發成果。

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