113 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班乙組《生物材料物理加工》

此題旨在探討永續林業的重要性，以及木材在減碳、固碳與碳替代方面的應用與效益。

核心觀念： 永續林業、碳循環、木材的碳儲存與替代潛力。

詳解：

1. 永續林業的重要性：

   • 生態平衡： 森林是地球上最重要的生態系統之一，提供生物多樣性棲息地，維持土壤健康，調節水循環，並對氣候具有重要影響。永續林業強調在利用森林資源的同時，確保森林的生態功能不被破壞，並能持續再生。
   • 氣候調節： 森林透過光合作用吸收二氧化碳，釋放氧氣，是重要的碳匯。健康的森林有助於減緩全球暖化。
   • 資源永續： 林業是許多地區重要的經濟產業，提供木材、紙漿、藥材、觀光等資源。永續林業確保這些資源能夠長期穩定供應，避免過度砍伐導致的枯竭。
   • 社會經濟效益： 森林對社區發展、原住民文化、就業機會等方面也具有重要貢獻。永續林業能平衡經濟、社會與環境的需求。

2. 木材利用於減碳、固碳、碳替代之效果：

   • 減碳 (Carbon Mitigation)：
     • 減少化石燃料使用： 木材作為再生性材料，可用來替代鋼鐵、混凝土、塑膠等高碳排放的建材或產品。生產這些替代材料的過程中，碳排放量遠高於木材加工。因此，使用木材能直接減少工業生產過程中的碳排放。
     • 生質能源： 木材廢料或低價值木材可轉化為生質燃料，取代化石燃料用於發電或供熱，進一步減少碳排放。

此題主要考察學生對闊葉樹材（硬木）細胞結構的理解，特別是軸向（縱向）和徑向的細胞種類，以及薄壁組織在橫切面上的排列方式。

核心觀念： 木材解剖學，闊葉樹細胞類型（導管、管束、纖維、薄壁組織），薄壁組織的排列。

詳解：

一、 闊葉樹材之軸向與徑向細胞種類：

闊葉樹材（被子植物木材）的細胞種類較針葉樹材複雜，主要可分為薄壁組織 (Parenchyma) 和管狀細胞 (Tracheary elements)。

1. 軸向細胞種類（沿著樹幹生長方向）：

   • 導管 (Vessels)： 這是闊葉樹材最主要的特徵之一，也是導水的主要組織。導管由一連串稱為導管份子 (Vessel elements) 的細胞堆疊而成，其細胞壁上下端會溶解或穿孔，形成連續的管狀結構，直徑通常較大。
   • 管束 (Tracheids)： 雖然導管是闊葉樹材的主要輸水結構，但部分闊葉樹材也含有管束，但其數量和功能不如針葉樹材重要。管束也是導水組織，由管束份子 (Tracheid elements) 組成，但其上下端是閉合的，輸水效率較導管低。
   • 軸向薄壁組織 (Axial Parenchyma)： 這是由薄壁細胞組成的組織，沿著樹幹軸向排列。它們負責儲存澱粉、脂肪等營養物質，參與物質運輸，以及在傷口癒合時的作用。
   • 軸向纖維 (Axial Fibers)： 這是形成木材強度和硬度的主要細胞。纖維細胞壁厚，管腔小，其主要功能是支撐。在闊葉樹材中，纖維通常與導管、薄壁組織混雜分佈。

2. 徑向細胞種類（沿著樹木半徑方向，與年輪垂直）：

   • 射線薄壁組織 (Ray Parenchyma)： 這是闊葉樹材最顯著的徑向結構。射線是由薄壁細胞組成，呈扁平狀，沿樹木半徑方向排列，組成木射線 (Wood rays)。木射線的功能包括：儲存養分、側向運輸水分和養分、連接軸向系統與徑向系統。

此題主要考察對針葉樹材細胞結構，特別是管胞微纖維排列與其在徑向方向上變化的理解。

核心觀念： 針葉樹材細胞結構（管胞）、細胞壁層次（S1, S2, S3）、微纖維取向、徑向變異。

詳解：

針葉樹材（裸子植物木材）的主要導水和支持細胞是管胞 (Tracheids)。管胞細胞壁由內至外分為S1、S2、S3三層。其中S2層最厚，佔細胞壁總厚度的絕大部分，其微纖維（纖維素鏈組成的結構單元）的排列方向對木材的物理力學性質影響最大。

微纖維傾斜角 (Microfibril Angle, MFA)：
微纖維傾斜角是指S2層微纖維與管胞長軸之間所形成的夾角。

• 當MFA接近0°時，表示微纖維幾乎平行於管胞長軸排列，這使得材料在長度方向上具有較高的強度和剛度，但橫向強度較低。
• 當MFA接近90°時，表示微纖維幾乎垂直於管胞長軸排列，這會降低材料的長度方向強度和剛度，但可能增加橫向的穩定性。

在樹幹內徑向上的變動：
一般而言，針葉樹材管胞的S2層微纖維傾斜角在樹幹的徑向上會呈現一定的變化規律：

此題考察學生對於高週波(RF)加熱和微波(MW)加熱這兩種現代木材加工技術的原理、異同點及應用範圍的理解。

核心觀念： 電磁波加熱原理，介質損耗，體積加熱 vs. 表面加熱，木材加工應用。

詳解：

一、 高週波 (Radio Frequency, RF) 加熱原理：

RF加熱屬於電磁波加熱的一種，其頻率範圍通常在3 MHz至300 MHz之間。其加熱原理主要基於介質損耗 (Dielectric Loss)。

• 原理： 當木材（一種極性介質）置於高頻電場中時，其內部的極性分子（如水分子、纖維素分子中的極性基團）會試圖跟隨電場的變化而產生取向運動。這種快速的分子運動和摩擦會將電能轉化為熱能。
• 加熱方式： RF加熱是一種體積加熱 (Volumetric Heating) 方式。電場可以穿透木材內部，使得材料內部整體同時產生熱量，加熱相對均勻。
• 影響因素： 加熱效率與木材的介電損耗係數、含水率（水分子是主要的極性分子，含水率越高，介電損耗越大，加熱越快）、電場強度和頻率有關。

二、 微波 (Microwave, MW) 加熱原理：

微波加熱也屬於電磁波加熱，其頻率範圍較高，通常在300 MHz至300 GHz之間，常見的應用頻率為2.45 GHz。其加熱原理同樣基於介質損耗。

• 原理： 與RF類似，微波電場使木材內部的極性分子（主要是水分子）產生高速的旋轉和振動，分子間的摩擦產生熱量。
• 加熱方式： 微波加熱也是一種體積加熱，但其穿透深度有限。對於較厚的木材，微波主要加熱表面和近表面區域，而內部則通過熱傳導來加熱。因此，微波加熱的均勻性不如RF，可能產生較大的溫度梯度。
• 影響因素： 加熱效率與木材的介電損耗係數、含水率、微波功率、頻率和木材的尺寸/形狀有關。

三、 高週波 (RF) 與微波 (MW) 加熱的異同之處：

特徵	高週波 (RF)	微波 (MW)	相同點
頻率範圍	3 MHz - 300 MHz	300 MHz - 300 GHz (常用 2.45 GHz)	都是利用電磁波能量
加熱原理	介質損耗 (分子極性運動與摩擦)	介質損耗 (分子極性運動與摩擦)	都依賴材料的介電特性 (特別是含水率)

此題考察學生對梁在集中載重下的剪力分佈與變化規律的理解。

核心觀念： 梁的剪力 (Shear Force)，集中載重，梁的受力分析，剪力圖。

詳解：

當一根梁受到中央集中載重 $P$ 時，梁會產生撓曲變形，同時梁內部會產生剪力 (Shear Force) 和彎矩 (Bending Moment)。

一、 產生的兩種剪力：

這裡的「兩種剪力」可能指的是：

1. 左半部的剪力 (Shear force on the left half)： 在梁的左半部（集中載重點左側），由左側支點承受的總反力 $P/2$ 作用，在梁的軸向上產生向下的剪力。
2. 右半部的剪力 (Shear force on the right half)： 在梁的右半部（集中載重點右側），由右側支點承受的總反力 $P/2$ 作用，在梁的軸向上產生向上的剪力。

更精確地說，在梁的任意橫截面上，剪力是該截面一側所有外力（包含支反力）的代數和。

• 對於一個承受中央集中載重 $P$ 的簡支梁（兩端支撐），設梁長為 $L$。則左支點的反力為 $R_L = P/2$，右支點的反力為 $R_R = P/2$。
• 在集中載重點左側的任意橫截面（距離左支點 $x$，且 $0 < x < L/2$），剪力 $V(x)$ = $R_L = P/2$。
• 在集中載重點右側的任意橫截面（距離左支點 $x$，且 $L/2 < x < L$），剪力 $V(x)$ = $R_L - P = P/2 - P = -P/2$。
• 在集中載重點 $x = L/2$ 處，剪力發生突變。

因此，梁內部的剪力只有大小相等、方向相反的兩種狀態：左半部為 $+P/2$，右半部為 $-P/2$。

二、 剪力大小沿梁長度方向與厚度方向的變化情形：

此題涵蓋了木材物理學中的幾個重要概念：纖維飽和點、含水率對力學及物理性質的影響，以及纖維飽和點的測定方法。

核心觀念： 纖維飽和點 (Fiber Saturation Point, FSP)，木材含水率，木材力學性質，木材物理性質，實驗測定。

詳解：

一、 何謂木材的纖維飽和點 (FSP)？

纖維飽和點 (FSP) 是指木材中細胞壁內的水分達到飽和，但細胞腔 (Lumen) 內的水分尚未開始積聚時的狀態。在此點，細胞壁的吸濕膨脹已達到最大，而細胞腔內則沒有自由水。

• 對於大多數闊葉樹材，FSP約在 25% - 30% 之間。
• 對於大多數針葉樹材，FSP約在 15% - 20% 之間。
• FSP是一個關鍵的門檻值，因為在此點以上和以下的木材性質表現有顯著差異。

二、 在纖維飽和點以下，木材的力學性質受含水率影響的變化：

當木材的含水率從FSP降低到零時，細胞壁內的結合水逐漸減少，導致細胞壁收縮，纖維素微纖維之間的距離縮小，材料的整體密度和強度會增加。

• 拉伸性質 (Tensile Properties)：

  • 強度 (Strength)： 隨著含水率降低（FSP以下），拉伸強度增加。這是因為細胞壁收縮，結構更緊密，抵抗拉伸的能力增強。
  • 剛度 (Stiffness, 楊氏模數 $E$)： 隨著含水率降低，楊氏模數增加。材料變得更硬，抵抗變形的程度更高。

• 壓縮性質 (Compressive Properties)：

  • 強度 (Strength)： 隨著含水率降低（FSP以下），壓縮強度增加。同樣是由於細胞壁收縮，結構更緊密，抗壓能力增強。
  • 剛度 (Stiffness, 楊氏模數 $E$)： 隨著含水率降低，楊氏模數增加。

• 彎曲性質 (Bending Properties)：

  • 彎曲強度 (Bending Strength, 斷裂模數 $MOR$)： 隨著含水率降低（FSP以下），彎曲強度增加。
  • 彎曲剛度 (Bending Stiffness, 彎曲彈性模數 $MOE$)： 隨著含水率降低，彎曲彈性模數增加。

三、 對含水率的敏感度（受影響程度）排序：

在FSP以下，木材的力學性質普遍隨著含水率降低而增強。其受含水率影響的程度（敏感度）大致排序如下（從最高到最低）：

1. 拉伸強度 (Tensile Strength)
2. 壓縮強度 (Compressive Strength)
3. 彎曲強度 (Bending Strength, MOR)
4. 楊氏模數 (Young's Modulus, $E$, MOE) （剛度類性質相對強度類性質，受影響程度稍低，但仍顯著）

• 說明： 強度類性質（拉伸、壓縮、彎曲強度）對含水率的變化更為敏感，其數值隨含水率下降的增幅較大。剛度類性質（楊氏模數）的增幅相對較小，但也是顯著的。
• 注意： 這種敏感度排序可能因木材種類、測試方向（弦向、徑向）以及具體測試條件而略有差異，但總體趨勢是強度性質比剛度性質更為敏感。

四、 木材含水率變化對木材熱性質、導電性的影響：

• 熱性質 (Thermal Properties)：
  • 熱導率 (Thermal Conductivity)： 木材本身是熱的不良導體。含水率的增加會顯著提高木材的熱導率。這是因為水比木質素和纖維素的導熱性要好得多，且水分填充了細胞腔和細胞壁，提供了更連續的熱傳導路徑。因此，含水率越高的木材，越容易導熱。

此題旨在探討國內人工林生產的中、小徑木在實務應用上所面臨的挑戰，以及如何提升其利用效率和拓展應用範圍。

核心觀念： 人工林特性，木材尺寸，木材加工，材料應用，永續林業。

詳解：

A. 人工林產出中、小徑木於實務利用上的缺點：

國內人工林（如柳杉、杉木等）相較於天然林，通常生長週期較短，樹種特性或經營管理方式導致其產出的木材直徑較小，即中、小徑木比例較高。這些木材在實務利用上存在以下缺點：

1. 尺寸限制與加工困難：

   • 材積小，單材可用量低： 單一中、小徑木的材積不大，難以直接加工成大型結構構件（如大型樑、柱），或大型家具、板材。
   • 加工效率低： 需處理的端面多，加工時損耗相對較大，生產線的設置和操作也需要適應小尺寸木材。
   • 機械性能受限： 小徑木通常生長較快，年輪寬，且可能含有較多的髓部或近髓部材，這些部位的木材性質（如強度、穩定性）可能不如大徑木穩定。

2. 結構應用受限：

   • 無法滿足結構要求： 在傳統建築結構中，對構件的尺寸和強度有較高要求，中、小徑木難以直接作為主要承重構件。
   • 接合問題： 由於尺寸小，採用傳統的榫卯結構或大型連接件可能不適用，需要開發新的接合技術。

3. 產品附加價值較低：

   • 商品形象： 相較於大徑木，中、小徑木在市場上常被視為「次級材」，難以生產出高附加值的產品，市場接受度或定價較低。
   • 品質不均： 人工林中，小徑木可能存在彎曲、節子較多、心材率低等問題，影響最終產品的外觀和品質。

4. 市場競爭力：

   • 進口木材競爭： 國際上仍有豐富的大徑木資源，以及加工成熟的標準化板材，對國產中、小徑木形成市場競爭壓力。

B. 如何提高國產中、小徑木的利用效率與應用範疇：

為克服上述缺點，並充分利用國內豐富的人工林資源，可從以下幾個方面著手：

1. 發展新興加工技術與產品：
   • 工程木產品 (Engineered Wood Products, EWPs)： 這是最關鍵的策略。將小徑木進行再加工，製成高附加值的工程木產品，如：
     • 集成材 (Glued Laminated Timber, Glulam)： 將小斷面、短長度的木材拼接膠合成長的、大斷面的結構構件。

此題旨在探討以木質生物材料（如纖維素、半纖維素、木質素）作為增強體或基材，用於研發生物複合材料的優勢和挑戰。

核心觀念： 木質生物材料，生物複合材料，增強體，基材，材料科學，永續性。

詳解：

木質生物材料 (Lignocellulosic biomaterials) 主要指從植物（尤其是木材）中提取的纖維素、半纖維素和木質素等組分，或直接利用木質粉末、纖維等。將這些材料應用於生物複合材料的研發，具有顯著的優勢，但也面臨一些困難。

一、 優勢 (Advantages)：

1. 永續性與可再生性 (Sustainability and Renewability)：

   • 木質生物材料來源豐富，是可再生的自然資源，不像石油基材料那樣面臨枯竭問題。
   • 其生產過程相較於傳統石油基材料，碳足跡通常較低，甚至可以實現碳中和或碳負。

2. 環境友好性 (Environmental Friendliness)：

   • 生物可降解性 (Biodegradability)： 許多木質生物材料製成的複合材料在生命週期結束後可以自然降解，減少對環境的污染。
   • 低毒性： 相較於某些合成材料，木質材料通常毒性較低。

3. 輕質高強 (Lightweight and High Strength)：

   • 高比強度和比剛度： 純纖維素纖維（如奈米纖維素）具有極高的比強度和比剛度，可以作為優良的增強體，與聚合物基材複合後，能夠製備出輕質且性能優異的複合材料。
   • 減重潛力： 在需要輕量化的應用領域（如汽車、航空），使用木質生物複合材料可以有效減輕產品重量，節省能源。

4. 成本效益 (Cost-Effectiveness)：

   • 木材作為原料，其價格通常低於許多傳統的石油基合成材料。
   • 隨著技術的發展，從木材中提取和加工這些生物材料的成本也在不斷降低。

5. 結構與功能多樣性 (Structural and Functional Diversity)：

   • 木質生物材料本身具有複雜的微觀結構，其組分（纖維素、半纖維素、木質素）可以通過不同的提取、改性方法，獲得具有不同性能的材料，應用於各種複合材料的設計。
   • 例如，纖維素奈米纖維可用作增強體，木質素可用作基材的改性劑或填充劑。

6. 良好的生物相容性 (Good Biocompatibility)：

   • 對於醫療應用，木質材料（特別是纖維素）通常具有良好的生物相容性，可用於組織工程支架、藥物遞送等。

二、 可能發生的困難 (Challenges)：

此題考察學生對非破壞檢測 (Nondestructive Testing, NDT) 原理的理解，以及其在樹木健康和木材性質評估方面的應用。

核心觀念： 非破壞檢測，聲學原理，電磁學原理，光學原理，樹木評估，木材性質。

詳解：

非破壞檢測 (NDT) 指的是在不損壞被檢測物體的情況下，通過物理方法（如聲波、電磁波、光學信號等）來評估材料的內部結構、缺陷、性質或狀態的技術。

一、 NDT應用於樹木健康或木材性質檢測的原理：

NDT技術的核心原理是利用物理信號（如聲波、超聲波、電磁波、熱信號、光信號等）與材料的性質、結構和狀態之間的相互作用。當這些信號穿過或在材料表面傳播時，其傳播速度、衰減、頻率變化、反射、吸收等特性會因材料的內部缺陷（如腐朽、空洞、裂紋）、密度、含水率、彈性模量等因素而改變。通過測量這些變化，可以推斷出材料的內部狀況。

• 樹木健康檢測： 評估樹木的結構完整性、是否存在腐朽、空洞、裂紋等，以判斷其抗風倒能力、生長潛力等。
• 木材性質檢測： 評估木材的密度、強度、彈性模量、含水率、內部缺陷等，以指導其加工、使用和分級。

二、 三種相關技術的說明：

以下列舉三種常用的NDT技術及其在樹木或木材檢測中的應用：

1. 聲學/超聲波檢測法 (Acoustic/Ultrasonic Testing Method)：

   • 原理： 利用聲波或超聲波在材料中的傳播特性來檢測。當聲波遇到材料中的缺陷（如空洞、腐朽、裂紋）時，其傳播速度會減慢，能量會衰減，或產生反射。
   • 應用於樹木：
     • 傳播時間法 (Stress Wave Timing)： 在樹幹的兩側或不同位置施加聲波脈衝，測量聲波傳播的時間。傳播時間越長，表明該區域的密度越低、腐朽或空洞越多，結構完整性越差。
     • 共振法 (Resonance Method)： 通過測量樹木的自然振動頻率或施加外部激勵後的共振頻率，來評估樹木的整體剛度和結構穩定性。腐朽區域會降低樹木的剛度，導致振動頻率降低。
     • 超聲波脈衝法： 通過在樹幹上放置發射和接收探頭，測量超聲波的傳播速度和衰減。速度減慢或衰減增大表明存在腐朽或缺陷。
   • 應用於木材： 測量木材的聲速，可以間接推算其彈性模量，進而評估其強度。也可檢測木材中的裂紋和節子。

2. 電阻層析成像法 (Electrical Resistance Tomography, ERT)：

   • 原理： 這是基於電學原理的一種成像技術。在樹幹表面均勻佈置一圈電極，並通過相鄰電極對施加微弱電流，測量相鄰電極間的電壓。由於不同材料（如健康木材、腐朽、水等）的電阻率不同，通過對測量數據進行數學反演，可以重建出樹幹橫截面內的電阻率分佈圖像。
   • 應用於樹木：