歡迎來到設計的基石！

你有沒有想過，為什麼汽水罐是用鋁製的，而鐵鎚卻是用鋼製的？為什麼有些塑膠加熱後會熔化，有些卻不會？在本章中，我們將一起探索材料與標準組件。了解這些知識，就像大廚熟悉廚房裡的各種食材一樣——只要掌握了它們的特性，你就能創作出令人驚嘆的產品！

本章屬於課題二：科技原理。我們將重點研究材料的結構、屬性，以及那些能幫助我們快速且可靠地構建產品的現成零件（標準組件）。

1. 材料背後的科學

要選擇合適的材料，我們必須了解其內部構造。如果你覺得科學很枯燥，別擔心！我們會用最簡單易明的方式告訴你。

結構與鍵合

萬物皆由原子組成。原子之間如何「手牽手」（即鍵合 Bonding），決定了材料的特性：

  • 金屬： 具有「金屬鍵」，電子可以在其中自由流動。這就是為什麼金屬的導電性這麼好！
  • 聚合物（塑膠）： 由長鏈狀分子組成。想像一碗意大利粉，這些長鏈纏繞的方式決定了塑膠是柔軟還是堅硬。
  • 陶瓷： 原子之間的鍵合非常強，且不易移動。這使得它們非常堅硬，但也具有脆性（受力時會直接斷裂而非彎曲）。

應力與應變

在設計與應用科技（DAT）中，我們經常觀察材料在被拉扯或擠壓時的反應。以下是兩個你必須掌握的術語：

1. 應力 (\(\sigma\))： 當材料受力時，內部感受到的「壓力」。
公式：\( \text{Stress} = \frac{\text{Force}}{\text{Cross-sectional Area}} \)

2. 應變 (\(\epsilon\))： 材料受力後產生的伸長或變形程度與原始長度的比例。
公式：\( \text{Strain} = \frac{\text{Change in Length}}{\text{Original Length}} \)

小貼士： 把應力 (Stress) 想像成材料承受的「負荷」，而應變 (Strain) 則是承受負荷後的「結果」。當你拉動一條橡皮筋時，你施加的力產生了應力，而橡皮筋的伸長就是應變！

2. 木材

木材是一種天然材料，通常根據樹木的生長方式和加工過程來分類。

軟木

通常來自生長迅速的針葉樹（松柏類）。它們通常價格較低，且易於加工。

  • 松木 (Pine) 與雲杉 (Spruce)： 常用於建築和廉價家具。
  • 雪松 (Cedar)： 具備天然的防腐特性，非常適合戶外使用。

硬木

來自闊葉樹。它們生長緩慢，通常密度較高，更加耐用。

  • 輕木 (Balsa)： 非常輕且質地柔軟（常用於製作飛機模型）。
  • 橡木 (Oak) 與山毛櫸 (Beech)： 非常堅硬，用於製作高檔家具。
  • 柚木 (Teak)： 含有天然油分，防水性能極佳，常用於造船和戶外甲板。
  • 課程大綱內的其他例子： 樺木、山樟、楊木、櫻桃木、桃花心木、胡桃木。

人造板

這些是透過膠合木層或木纖維製成的「人造」木板。它們性質穩定，且可以製成大尺寸的板材。

  • 夾板 (Plywood)： 將木層以 90 度角交錯膠合而成。各個方向的強度都很高。
  • 中密度纖維板 (MDF)： 由木粉和膠水製成。表面平滑，非常適合噴漆。
  • 大芯板 (Blockboard) 與碎料板 (Particle Board)： 常見於廚房工作檯面或廉價的「自行組裝」家具。

學習重點： 預算有限的項目選用軟木，追求耐用美觀選用硬木，需要大面積平整表面則選用人造板。

3. 金屬

金屬主要分為兩大類：含鐵金屬和不含鐵金屬。

黑色金屬（含鐵金屬 Ferrous Metals）

注意： 大多數黑色金屬如果沒有保護層，都會生鏽！

  • 低碳鋼 (Mild Steel)： 具韌性且延展性好。用於汽車車身及螺栓螺母。
  • 不鏽鋼 (Stainless Steel)： 含有鉻，因此不會生鏽。用於餐具和醫療器材。
  • 鑄鐵 (Cast Iron)： 非常堅硬但很脆。用於重型引擎缸體或馬路井蓋。
  • 鍍鋅鋼 (Galvanised Steel)： 表面鍍了鋅的鋼，用以防止生鏽。

有色金屬（不含鐵金屬 Non-Ferrous Metals）

這些金屬不會生鏽（雖然可能會失去光澤），且通常沒有磁性。

  • 鋁 (Aluminium)： 輕便且耐腐蝕。想想汽水罐或飛機零件！
  • 銅 (Copper)： 極佳的導熱和導電體。用於電線和水管。
  • 黃銅 (Brass，銅與鋅的合金)： 外觀像黃金，用於樂器和五金零件。

你知唔知？ 合金 (Alloy) 是由兩種或多種金屬（或金屬與其他元素）混合而成，旨在令材料變得更強或具備更好的特性！例如，硬鋁 (Duralumin) 是一種用於飛機的高強度鋁合金。

4. 聚合物（塑膠）

塑膠的用途極其廣泛。在 DAT 中，我們根據它們對熱的反應來分組。

熱塑性塑膠 (Thermoplastics - 可回收類)

這些塑膠可以被加熱、塑形、冷卻，然後再次重複加熱和塑形。想像它們就像朱古力一樣！

  • 亞加力 (Acrylic / PMMA)： 堅硬且透明。用於招牌和代替玻璃。
  • ABS： 非常堅韌。LEGO 零件就是用它做的！
  • PET： 透明且強韌。用於製作塑膠水樽。
  • PVC： 用於水管和黑膠唱片。
  • HIPS / PS： 用於真空成型（例如乳酪杯）。

熱固性塑膠 (Thermosetting Plastics - 一次性成型類)

這類塑膠一旦加熱固化後，就不能再次熔化。如果再次加熱，它們只會炭化或燒焦。想像它們就像烤好的蛋糕！

  • 環氧樹脂 (Epoxy Resin)： 用作強度極高的黏合劑。
  • 尿素甲醛 (Urea-formaldehyde)： 極佳的絕緣體。用於燈開關和插座。
  • 聚酯樹脂 (Polyester Resin)： 常配合玻璃纖維使用，製作船身。

彈性體 (Elastomers)

這些是極具彈性的聚合物，例如合成橡膠或矽橡膠。

5. 其他現代材料

科技是不斷進步的！這裡有一些特殊的類別：

  • 陶瓷： 堅硬、耐熱的材料，如瓷器或玻璃。
  • 複合材料： 結合兩種材料以獲取各自的優點（例如：碳纖維或玻璃纖維）。
  • 智能材料： 能對環境變化做出反應的材料。
    • 形狀記憶合金 (SMA)： 加熱後能「記住」並恢復原狀。
    • 納米材料： 極微小的結構，用於增強強度或使其具備撥水性。

6. 標準組件

為什麼不需要「重新發明輪子」？設計師使用標準組件是因為它們價格便宜、可靠且易於更換。如果你弄丟了一粒螺絲，在任何五金店都能買到規格完全相同的一粒！

常見緊固件（連接物件）

  • 螺栓與螺母 (Bolts and Nuts)： 用於需要拆卸的臨時連接。
  • 螺絲 (Screws)： 鑽入材料（木材或金屬）內部進行固定。
  • 墊圈 (Washers)： 分散螺母或螺栓的壓力，保護材料表面。
  • 鉚釘 (Rivets) 與拉釘 (Pop Rivets)： 永久連接金屬板材的方法。
  • 拆裝式配件 (Knock-down / KD Fittings)： 用來組裝 IKEA 家具的塑膠或金屬小零件！

運動組件

  • 滾珠軸承 (Ball Bearings) 與滾柱軸承 (Roller Bearings)： 幫助軸心平滑轉動，大幅減少摩擦力。
  • 鉸鏈 (Hinges)： 讓門或蓋子可以擺動開啟。
  • 銷 (Pins) 與鍵 (Keys)： 用於將齒輪或皮帶輪固定在轉動軸上。

快速回顧： 為什麼要使用標準組件？
1. 成本： 大量生產，所以價格便宜。
2. 一致性： 你明確知道它們的強度（符合 ISO 標準）。
3. 維修： 在世界任何地方都容易找到替換品。

溫習清單

在進入下一章之前，請確保你能：

  • 分辨軟木、硬木及人造板。
  • 判斷一種金屬是黑色金屬還是有色金屬。
  • 解釋熱塑性塑膠（可重熔）與熱固性塑膠（不可重熔）的分別。
  • 使用簡單公式定義應力與應變。
  • 列舉設計師使用標準組件的三個原因。

註：有關如何計算材料強度（楊氏模數 Young's Modulus）的更多詳情，請參閱「設計實現及材料處理」選修單元筆記。