熱塑碳纖維複材之產業應用趨勢

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