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熱塑碳纖維複材之產業應用趨勢
作者 張維修
刊登日期:2024/02/01
前言
碳纖複合材料是一種由碳纖維和基體材料組成的先進結構材料。碳纖維具有極低的質量、高強度和高剛性,而基體材料通常是一種聚合物樹脂,如環氧樹脂。這些材料相互作用,形成了一種具有優異性能和廣泛應用的複合材料。碳纖複合材料的優點包括:質量輕、高強度、高剛性、抗腐蝕、高溫穩定性、設計靈活性、高電絕緣性和環保性。
根據Global market insights的數據,2021年碳纖維複合材料市場規模為184億美元,預計2022年至2030年將以6%的複合年增長率增長,主要在航空、風電和汽車領域的應用不斷增加,如圖1所示。隨著這些產業的發展,碳纖維的市場需求也在不斷增長。此外,碳纖維在建築和基礎設施領域也有很大的潛力,它可以用於製造強化材料,增加結構的安全性和耐久性。
圖1 碳纖複合材料市場(資料來源:Global market insights)
碳纖複合材料可以分為熱固性和熱塑性兩種類型。熱固性碳纖複合材料是由碳纖維增強物質和熱固性樹脂(如環氧樹脂)組成的。這種材料在製造過程中需要加熱固化,因此製程比較複雜和耗時。一旦固化,熱固性材料就不可再加工或重新塑造,這限制了其可塑性。熱塑性碳纖複合材料是由碳纖維增強物質和熱塑性聚合物(如PP或PA6)組成的。這種材料在受熱後可以變軟並重新塑造,具有再加工和可回收的能力,這有助於減少廢棄物和資源浪費。此外,熱塑性碳纖複合材料也比較容易塑型,適合需要特殊形狀的應用。隨著市場對於回收與減碳的需求,熱塑碳纖在未來市場成長趨勢可期,依據Profshare market research報告,碳纖熱塑複合材料市場規模將從2019年35億美元預計到2027年達到85億美元,複合年增長率為11.4%,如圖2。
圖2 熱塑碳纖市場規模預估(資料來源:Profshare market research)
碳纖複材產業應用
碳纖維近年來應用於交通載具有越來越廣泛的趨勢,早期應用於航空產業,使用碳纖維可以減輕機身的重量,提高燃油效率,同時具有足夠的機械強度和結構穩定性。碳纖應用於飛機機身結構、機翼和尾翼、起落架、飛機推進系統、內部組件,如座椅框架、內飾板、飛機的內部裝潢等。波音777X系列和787型飛機,機身複合材料的用量都達到了50%。波音777X飛機的主翼由碳纖複材製成,其翼展長約72 m。碳纖複材機翼不僅強度高、柔性好,且末端可折疊,同時可滿足機場的停機需求。
車輛製造業如BMW、保時捷等國際大廠也紛紛投資了碳纖維成型設備來用於生產,此一行徑也將加速碳纖維製程邁入自動化的技術開發,相關零組件生產商,也都競相投入複合材料製作開發。BMW汽車7系列中,在B柱、車頂縱梁/前橫樑、門檻梁、中央通道及C柱採用了碳纖維與高強鋼結合的方式,來強化車身剛性並減少整體重量,不但可以增強車輛安全性,更可以降低能源消耗。Mercedes-Benz將碳纖維複合材質大量運用在車體前段、座艙、車門與後段等車身結構上,僅引擎室與懸吊結構保留鋁合金材質,在車體技術上運用高強度碳纖維複合材料,將分別比起運用鋁合金與鋼材達到減重30%與 50%的輕量化效益。
鑫永銓的複材技術發展
自2008年起鑫永銓開始進行多元化發展,致力於開發環保永續的新材料,目標是為永續環境保護盡一份心力,如圖3。其中一項重要的成果是「熱塑複合材料」的開發,如圖4,這種材料具有可塑性強、可回收再利用,且製程大幅減少汙染排放及資源浪費的優點,符合循環經濟的理念。除此之外更進一步開發出高強度熱塑性碳纖預浸布材料,這種材料不僅可循環再利用(回收率接近100% 歐盟WVTA認證要求),也可重複加工和多樣化應用,是一種具有高附加價值和高效能的新材料,並於2017年與日本知名行李箱品牌合作,創造出全球最輕、最堅固、最環保的行李箱。該行李箱採用熱塑複合材料加上玻璃纖維製成,具有高剛性、高耐衝擊、高回彈性和100%可回收再造的優點,並通過了日本最嚴格的品質檢測。該行李箱不僅比一般行李箱更輕巧,而且更耐用,即使遭受重壓或踩踏,也不會破裂或變形,一旦壓力消失,就能恢復原狀。該行李箱不僅在國際市場上受到廣泛歡迎,也展現了對環保與創新的堅持與責任。除了行李箱開外還利用其在熱塑複合材料領域的專業技術,如圖5,開發了多種相關產品,如日本知名手錶品牌的碳纖維錶帶、足球鞋大底、平板電腦外殼和建築用模板等,展現了其在不同領域的應用能力與競爭力。
圖3 鑫永銓碳纖複合材料應用產品製造工廠
圖4 熱塑複合材料
(a) (b) (c)
圖5 熱塑複材應用 (a)熱塑碳纖行李箱 (b)熱塑碳纖錶帶 (c)熱塑複材模板
面對全球化的競爭壓力,為了不斷追求創新與突破,鑫永銓決定進軍自行車產業,打造高品質的碳纖維自行車,改變過去傳統的生產和製造方法,開發的碳纖維自行車部件採用了獨特的複合材料製程技術,使得自行車更加輕盈、堅固、靈活。碳纖維自行車具有許多優勢,例如:高強度,能夠承受高強度的衝擊和壓力,適合各種地形和環境;高耐久性,能夠抵抗腐蝕和老化,延長使用壽命;高舒適性,能夠有效減震和吸收路面震動,降低騎行者的負擔和疲勞,尤其是在長距離騎行中。新技術開發的碳纖維自行車部件還有一個突出的特點,就是使用「熱塑型碳纖維複合材料」(Thermoplastic Carbon Fiber Composite),與市場上常見的「熱固型碳纖維複合材料」(Thermoset Carbon Fiber Composite)不同。熱固型碳纖維複合材料雖然也有很好的性能,但是它們有幾個缺點:一是回收困難,因為它們在成型後就不能再被溶解或重塑;二是生產時間長,因為它們需要使用真空加溫加壓成型設備(壓力釜),這是一個耗時耗能的過程;三是成本高,因為它們需要大量的人工去貼合成型。相比之下,熱塑型碳纖維複合材料就沒有這些問題:一是回收容易,因為它們在加熱後就可以再次被溶解或重塑;二是生產時間短,因為它們只需要使用普通的模具和機器就可以成型;三是成本低,因為它們可以利用自動化技術如機械手臂,來提高生產效率和品質,利用了這種材料的優勢,製造出了自行車車架和輪圈等主要部件,並且可應用到其它相關的自行車零件上,創造出了一系列的碳纖維自行車產品,如圖6和圖7。
圖6 熱塑碳纖自行車車架 圖7 熱塑碳纖自行車輪圈
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