金屬製造新技術：輕結構膠合技術
95/04/10
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姜志華｜
金屬工業研究發展中心銲接組
遠在四、五千年以前，中東地區的居民就已懂得應用石漆（即瀝青）作黏著之用。而在三千五百三十多年前，埃及地區身為奴隸的一位猶太婦人，為了逃避法老王屠殺猶太男嬰，把初生約3個月的男嬰，置於蒲草製成的箱子內，塗抹瀝青及柏油以黏合蒲草，並使其具防水作用，放在尼羅河岸邊，結果被法老王的公主所救，領養為兒子。這名嬰孩就是日後帶領猶太人出埃及過紅海，大名鼎鼎的猶太民族英雄－摩西。
想不到，原來膠合技術應用的歷史如此久遠。更想不到，一個不甚起眼的膠合技術，竟對一個民族的興衰起了如此關鍵性的作用。
膠合技術雖然起源甚早，但膠合劑及膠合技術系統性的研究開發，卻是近幾十年的事。在先進國家中，應用於結構上的膠合技術開發，如汽車結構，建築、橋梁等，也不過是近二、三十年的事。然而相較於傳統的銲接技術，不論在成本、人力、產品設計、生產環境等方面，膠合技術都具有較佳的條件。
臺灣的膠合技術起步較晚，一般應用於紙類、鞋類等非結構性的膠合，而系統性的輕結構膠合技術研究開發，則是近幾年的事。例如金屬工業研究發展中心自民國90年起，有系統地進行鋁合金、鎂合金、鈦合金及其他金屬輕結構的膠合研究，同時與先進國家合作，引進技術，並對工業界進行實品開發輔導，使國內輕結構膠合技術從基礎理論端到產製應用端，得以系統性地生根落實。以下針對膠合基本原理及相關理論，國際上膠合劑的需求和膠合技術的應用，以及國內輕結構膠合技術發展的現況做簡要說明。
膠合基本原理
潤濕 當一液滴與固體表面接觸後，接觸面自動增大的過程，稱作潤濕，主要是由表面張力作用所引起的。液滴和固體表面的接觸角越小，潤濕的情況越佳。
黏接力 膠合劑對被膠合物的潤濕只是膠合的前提，必須形成黏接力才能達到膠合的目的。黏接力是膠合劑與被黏物在界面上的作用力或結合力，其中包括機械結合力、分子力及化學鍵結力。
幾種膠合理論
機械結合理論 認為被黏物表面有一定的粗糙度，有些表面是多孔性的，膠合劑滲透到被黏物表面的溝痕或孔隙中，固化後像小鉤子、釘子、樹根一樣與被黏物形成機械性的結合。
吸附理論 認為黏接力是由膠合劑與被黏物分子，在界面層上相互吸附而產生的，這種吸附力是分子間相互作用所引起的，屬於物理吸附力。
化學鍵理論 認為膠合劑與被黏物界面產生化學反應，形成化學鍵結，這種鍵結力屬高強度的鍵結。
擴散理論 認為膠合劑與被黏物分子之間互相擴散，使界面逐漸消失，互相交織而牢固接合。這理論較適合於被黏物可以被膠合劑溶解的高分子材料，對於金屬間的膠合，這一理論仍頗受爭議。
靜電理論 認為膠合劑與被黏物接觸的界面由於靜電的相互吸引而產生黏接力。
膠合劑的需求
全球膠合劑年需求量1999年達444億磅，其中亞洲需求量最多，達36％；北美地區次之，占34％；歐洲地區又次之，占20％；其他地區需求量僅10％。若依每年需求量2.5％的成長計算，則2005年全球膠合劑年需求量會達515億磅，顯見全球膠合劑需求量極大，尤以亞洲的需求最為殷切。
以工業發達也是汽車大國的美國為例，用在結構及汽車產業方面的膠合劑約占39％。臺灣在結構性膠合技術方面的開發應用，較各先進國家起步雖晚，但進展甚速。近年來金屬工業研究發展中心積極投入系統性膠合技術的研究開發，並協助工業界生產應用，在輕結構方面的膠合開發應用，已開展出一番新氣象。
輕金屬膠合技術的發展
國際上膠合技術的應用，主要包括民生用品：休閒家具；運動器材：高爾夫球桿頭；醫療器材：輪椅；建築：住宅、商用大樓；橋梁：供車輛通行的橋梁；填縫：車體填縫；修復：鑄品（砂孔）、滾輪、液壓油缸（磨損）、泵浦殼件（洩漏）；運輸工具：箱型車體、貨櫃車、航空貨櫃、救護車、自行車構件、機車構件、蜂巢結構、汽車構件、航空太空器材；國防：飛彈、軍艦；電子科技：印刷電路板、液晶及電漿電視框架、封裝；奈米科技：奈米膠合劑等。
針對鋁、鎂、鈦等輕金屬結構，透過專利分析，探討這類結構自1970年代至2040年的專利應用發展趨勢得知，全球鋁、鎂、鈦等輕金屬結構膠合技術，尚屬年輕的技術，目前仍處於成長階段。全球這一領域的專利核准數到2003年4月約283篇，預測至2040年才會進入成熟期，屆時鋁、鎂、鈦等輕金屬結構膠合技術專利核准數將達1,000篇，顯示這一領域膠合技術的發展，還有數十年的時間可以投入開發。就這個專利分析資料預估，臺灣輕金屬結構膠合技術發展達到成熟期，還需50年的時間。
以筆者服務的金屬中心為例，自2000年起開始投入系統性的膠合技術研究發展，並對工業界進行輔導合作。初期從非安保性製品開發，進而研發要求安全性的靜負荷結構所使用的產品，及至高安全度要求下的動負荷結構用膠合技術的研發，一路披荊斬棘，漸次克服困難。部分開發出來的技術正申請或已取得專利，某些領域的成果與國外技術相較，更不遑多讓，甚至領先。
金屬中心對於輕結構（鋁、鎂、鈦、銅、不銹鋼、沖壓鋼板等）所研發的膠合技術，包括膠合劑研析技術、膠合製程技術、膠合接頭／結構設計技術、膠合表面修復技術、膠合耐久性能技術、耐高溫（攝氏280度、15分鐘）膠合技術、高耐衝擊性能膠合設計及製程、高耐疲勞性能膠合設計及製程、膠合加速測試技術、膠合性能檢測分析技術、膠合自動化技術、膠合產品設計技術、膠合技術及產品專利申請等，並投入奈米膠合技術構想型創新前瞻科專計畫的研究。
尚待努力共創新局
臺灣產學研界以及和先進國家之間，經多年合作研究與工業實務開發，從理論至實務，從基礎至應用，從靜負荷結構至動負荷結構，已建立系統性完整的輕結構膠合研發及產製技術。
在這個領域中，已埋下永續發展及經營的種子，未來想必會有更多前瞻及創新性的膠合技術及製品出現。國內輕結構膠合技術時代已然來臨，往後尚待各路先進合力同心，以使膠合技術在這塊土地上扎根、開花及結果。
