因應國際淨零碳排趨勢，碳纖維複合材料因為可實現(xiàn)後端產(chǎn)品輕量化，兼具高強度特性，自然可降低運行時消耗的能源、燃料與排碳，而在航太、電動車等交通運輸，以及3C、風力發(fā)電等領(lǐng)域廣受應用，近10年來熱塑性碳纖發(fā)展速度更比熱固性碳纖複材快上數(shù)倍。

現(xiàn)今所稱「複合材料」，通常係指兩種或兩種以上的材料，經(jīng)過複合工藝而製備的多相材料，利用各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使複合材料的綜合性能優(yōu)於原組成材料，從而滿足各種不同的要求。其中又可分為基體和增強材料兩部份，目前市面上非金屬基體主要為：合成樹脂、碳、石墨、橡膠、陶瓷；增強材料則包括：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等有機纖維，以及碳化矽纖維、石棉纖維、晶鬚、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。

碳纖維複合材料因為具有重量輕、強度大的特點，在各個產(chǎn)業(yè)備受青睞，包括在航太領(lǐng)域，因為碳纖維的尺寸穩(wěn)定性且單位密度的強度高，早已應用於人造衛(wèi)星及飛機的尾翼和橫樑；在汽車領(lǐng)域，則看好碳纖材料重量比鋼材輕，強度卻是鋼材的10倍以上，所以在汽車內(nèi)外裝飾件開始廣為使用，使汽車在輕量化方面能有顯著突破，在進入電動車時代更可分攤龐大電池系統(tǒng)在車體上的總體重量。

熱塑性碳纖維複合材料還因為具有以下幾項優(yōu)勢：韌性較高、損傷容限大、維修方便、可反覆加熱冷卻成型、成本低、原料不須低溫儲存、成型加工周期較短，且具有良好的可循環(huán)性和不汙染環(huán)境的特性，使之成為各大企業(yè)重點研究的對象，

圖1 : 碳纖維複合材料因為具有重量輕、強度大的特點，在各個產(chǎn)業(yè)備受青睞。（source：yachtsinternational.com）

展望熱塑複材發(fā)展　猶待突破瓶頸

尤其是臺灣在30年前碳纖複材應用發(fā)展就已相當成熟，甚至被譽為臺灣奇蹟之一，早期較熱衷於開發(fā)熱固碳纖複材，經(jīng)累積一定能量後，可用此成本更貴10倍的材料取代原有木質(zhì)或鋁合金材質(zhì)製的網(wǎng)球拍、自行車等民生消費產(chǎn)品。至今臺灣區(qū)複合材料公會成員已涵括從上到下、低價到高價等複材產(chǎn)業(yè)鏈，業(yè)者逐步從中國大陸回流臺灣生產(chǎn)，即使碳纖維受限於軍品管制，仍建構(gòu)從原材料、高壓爐、繞線機、預浸布等製程設備一應俱全，以及漢翔從應用面帶頭革新。

然而，目前因為熱固性碳纖複材仍採取熱壓爐的高溫高壓成化工法，導致成本居高不下且屬於高耗能製程而亟須變革，熱塑性碳纖材料將是複材下一步關(guān)鍵技術(shù)指標。為深入探討熱塑性碳纖複材的應用契機，進而結(jié)合塑膠成型加工技術(shù)拓展市場，塑膠工業(yè)技術(shù)發(fā)展中心也在甫落幕的「臺北國際航太暨國防工業(yè)展（TADTE）」期間，舉行「輕量化複合材料的創(chuàng)新應用」研討會。

身兼複材公會副理事長的漢翔航空工業(yè)公司副總經(jīng)理莊秀美表示，由於具備輕量化、強固，又容易維護的碳纖材料特性符合現(xiàn)今ESG潮流，包含波音、空中巴士等航太業(yè)龍頭，很早就已導入用於新機身上約有50%結(jié)構(gòu)來減少油耗；就連汽車、機器人產(chǎn)業(yè)，也為了輕量化要求，藉此提升荷重與強度；進而衍生出「氫經(jīng)濟」所需的燃料電池和高壓氣瓶等儲存、運輸器具。

塑膠中心技術(shù)發(fā)展部專案計畫主持人張修誠進一步指出，為順應現(xiàn)今產(chǎn)品輕量化趨勢，熱塑碳纖複材既能實現(xiàn)產(chǎn)品希望兼具輕量化與高強度目標，還擁有成型週期短、韌性佳、樹脂選擇性高，易於加工、無存放限制、可回收再利用等優(yōu)點，而符合全球節(jié)能減碳的環(huán)保概念。

據(jù)統(tǒng)計全球熱塑碳纖複材市場規(guī)模預計於2025年達到170億美金，相較於2017年僅98億元美金的5年內(nèi)複合成長率（CAGR）達到7.6%，又以包含航太換機潮、車輛輕量化等交通運輸、大尺寸風力發(fā)電葉片、消費性電子趨向輕薄強及建築產(chǎn)業(yè)成長最為顯著。

包括因應未來NB厚度將從1mm縮減為0.6mm，現(xiàn)行鋁鎂合金材質(zhì)容易因此翹曲，勢必要導入碳纖材質(zhì)才能解決；航太產(chǎn)業(yè)雖然曾迎接30年一度的換機熱潮，當時估計2018~2024年CAGR可望成長11.25%，市場規(guī)模將從2017年約250億美金增為2024年的530億元美金，卻因為2019年起爆發(fā)的COVID-19疫情而戛然中止，現(xiàn)仍主要用於機翼上相對小型的Sine-wave樑柱、對接T型加強樑等結(jié)構(gòu)件，在波音777型客機占比達到50%以上，未來還可望導入太空通訊衛(wèi)星/火箭、無人機外殼、管件等前瞻應用領(lǐng)域。

張修誠進一步分析風機產(chǎn)業(yè)的葉片大型化趨勢，係基於對發(fā)電機高度、輸出功率提升需求。目前臺灣西海岸離岸風機的葉片約占風機成本85%，尺寸將持續(xù)從約為80m放大至100m，且將玻纖材質(zhì)逐步改為碳纖之後，使其輸出和轉(zhuǎn)換效率遞增，預估全球2024年市場規(guī)模將達到800億元美金規(guī)模，驅(qū)動複材產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

但目前臺灣碳纖複材產(chǎn)業(yè)遭遇的瓶頸，主要受制於國外專利封鎖及關(guān)鍵設備昂貴，導致臺灣複材產(chǎn)業(yè)仍停滯於熱固複材領(lǐng)域，無法順利升級轉(zhuǎn)型，朝向熱塑複材領(lǐng)域發(fā)展。更重要的是，單方向熱塑預浸材受到國外管制，導致臺灣不易取得關(guān)鍵材料發(fā)展，進而影響龐大上下游應用端，延遲輕量化產(chǎn)品開發(fā)時程，錯失市場良機。

圖2 : 塑膠中心技術(shù)發(fā)展部張修誠指出，目前臺灣碳纖複材產(chǎn)業(yè)遭遇的瓶頸，主要受制於國外專利封鎖及關(guān)鍵設備昂貴、單方向熱塑預浸材受到國外管制。（攝影：陳念舜）

航太製造大廠引領(lǐng)　臺灣熱塑複材業(yè)競爭國際商機

漢翔公司工程處結(jié)構(gòu)分析組長謝福湧進一步表示，如依航太業(yè)預計2050年實現(xiàn)淨零碳排放目標，國際航空運輸協(xié)會（IATA）成員也為此，將原先2010~2020年間燃油效率平均每年提高1.5%的承諾，實際提高了2%以上。到了2050年，還須將航空業(yè)的碳排放量降至基準年（2005）的一半，因此須將可持續(xù)或稱生質(zhì)/環(huán)保燃油（Sustainable Aviation Fuel）占航空燃料消耗的貢獻率，自0.1%增至約65%；同時引進新科技，如熱塑性碳纖複合材料、電動引擎、氫電池或燃料引擎等航空器的貢獻率達到13%。

目前航太業(yè)近5~10年來正競相投入開發(fā)熱塑性複合材料來實現(xiàn)零碳排目標，主要即係基於3大特色：

1.減少製程能源消耗：除了因採用更高效的非熱壓爐製程，可大幅削減能源消耗、縮短成化時間，且少了熱固性複合材料所需的冷凍倉儲，可常溫儲存

2.減少排碳：受惠於熱塑性複材焊接技術(shù)，得以減少成千上萬個五金扣件數(shù)量；並透過前瞻性設計，擴大熱塑性複材的使用範圍。估計結(jié)構(gòu)件重量將比起金屬減輕50%、比起熱固複材減輕20%。

3.可回收能力：因為熱塑複材具有更高的抗衝擊和抗疲勞性，確保零組件可承受長時間使用，並在其生命週期結(jié)束時完全回收，且在其他次結(jié)構(gòu)零組件或產(chǎn)業(yè)重新融化、降級再利用，預估從今起10年內(nèi)正被航太業(yè)廣泛使用於各種飛機零組件。

初期主要用於內(nèi)裝部件、小結(jié)構(gòu)件已相當成熟，再逐步擴展到飛機大型結(jié)構(gòu)的控制面、機身或機翼上零件，並結(jié)合自動疊貼、非熱壓爐製程等，引進焊接製程，進而減少零件數(shù)輕量化及結(jié)構(gòu)組裝時間，比起傳統(tǒng)熱固複合材料製程更為節(jié)省能源消耗。

圖3 : 國際航空運輸協(xié)會成員到了2050年，須將航空業(yè)的碳排放量降至基準年（2005）的一半，因此加速引進新科技，如熱塑性碳纖複合材料、電動引擎、氫電池或燃料引擎等航空器。（source：miro.medium.com）

例如目前灣流商務機（G650）的升降舵、方向舵結(jié)構(gòu)件，便已使用感應焊接組裝，取代傳統(tǒng)的鑽孔與鉚接施工，達成更輕量化目標。除了在製程中更節(jié)能之外，在全壽命週期也比傳統(tǒng)熱固性複材結(jié)構(gòu)件，貢獻更多碳排削減量。

舉空中巴士「明日之翼」為例，即係採取非熱壓爐製程創(chuàng)新應用，在長17m的機翼下蒙皮採用RTM製程；搭配NCC公司研製的龍門型機器人高效疊貼系統(tǒng)，可快速疊貼NCF（Non Crimp Fabric）碳纖維布，應用在大尺寸及多層數(shù)的機翼蒙皮或大樑結(jié)構(gòu)；模具可直接升/降溫，將大幅縮短製作時間，削減能源消耗。

延續(xù)長達10年（2014~2024），由空中巴士主導的飛機最大創(chuàng)新先進技術(shù)計畫「潔淨天空2（Clean Sky2）」，重點便在於研究熱塑性複合材料大型零件，展示如長/寬各0.6m機翼和翼肋結(jié)構(gòu)，或世界上最大熱塑性複材航空機身結(jié)構(gòu)長8m、直徑4m；以及跨國航太大廠合作，應用厚度可變化、雙曲面等創(chuàng)新焊接組裝技術(shù)，將大幅降低機身經(jīng)常性成本及飛機總重量；進而減少能耗與全生命週期排碳，並藉此設定明確目標：2024年削減20~30%CO2、氮氧化合物排放量；2050年分別削減75%CO2、90%氮氧化合物排放量。

包括在其多功能機身展示件（Multifunctional Fuselage Demo）上，演示針對長8m、直徑4m機身縱樑結(jié)構(gòu)點焊及連續(xù)焊；電阻焊接（Resistance）DLR曲面、機身隔框結(jié)構(gòu)；感應（Induction）及傳導（Connection）焊接，由GKN公司演示將長6~10m加強樑（Stringers）焊接於機身蒙皮。

未來包括電動垂直起降飛行器（eVTOL）便因為在天空運行時的排碳量趨近於零，且符合碳中和的永續(xù)目標而崛起。除了FAA已為Joby Aviation Inc.旗下的JAS4-1全電動空中計程車率先公布首件eVTOL認證標準，成為詳細介紹電動垂直起降動力升力飛機的認證基礎(chǔ)；並在今年6月取得FAA的特殊適航認證書之後，估計在2025年即可開始為達美航空乘客提供往返機場的交通服務。

另有美國Archer Aviation公司的eVTOL-Midnight飛行器，使用臺泥子公司能元科技生產(chǎn)的21700鋰三元高鎳電池，短短充電10分鐘，即可支持飛行20英哩。預計2024年即可取得FAA飛安和技術(shù)查核認證，並已獲美國聯(lián)合航空公司下單訂購了200架Archer電動飛機，將用於紐約市和Newark機場間的空中交通。漢翔公司也為此提出離島之間的運補型無人機概念設計，雖非全電動引擎，但在全機身將廣泛結(jié)合熱固/熱塑性複合材料應用。

漢翔引進數(shù)位模型導向系統(tǒng)工程　建立創(chuàng)新材料數(shù)據(jù)庫

近期漢翔也正積極投入研發(fā)，包含選用已經(jīng)國外認證的成熟材料，與空巴子公司合作，期望能在2025年底順利推出可重複性製造品展示，於2026年Q3接單量產(chǎn)；同時參與經(jīng)濟部A+企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)淬煉計畫，採用臺廠開發(fā)的熱塑材料，再陸續(xù)完成整合資源開發(fā)關(guān)鍵熱塑元件製程和技術(shù)，實現(xiàn)雛型件驗證（Demonstrator），最後到了2027年接單量產(chǎn)。

兩者時程的主要差異，便在於飛機結(jié)構(gòu)須經(jīng)堆積木式認證程序，在展示件初步設計規(guī)劃階段，即應展開熱塑特定分析方法評估、建立完整數(shù)據(jù)庫及材料規(guī)範、材料選用評估，執(zhí)行成千上萬件平板試片。

目前已與長興材料工業(yè)結(jié)盟，開發(fā)聚芳醚酮高效樹脂粉末、碳纖維紗線；與塑膠中心合作，得到協(xié)助建立熱塑UD/LFT試量產(chǎn)線；再由漢翔負責建立航太複材資料庫、選用/設計航太零組件與成型/焊接技術(shù)，促使最終能通過驗證，3年號已用於高教機座艙後固罩。

圖4 : 隨著數(shù)位模型導向系統(tǒng)工程成為主流，漢翔也為此建立iAIDC智慧製造雲(yún)平臺、並導入達梭3DEXPERIENCE平臺，強調(diào)大數(shù)據(jù)的價值不僅是公司寶貴資產(chǎn)，也能貢獻節(jié)能減碳！（攝影：陳念舜）

此外，隨著如今數(shù)位模型導向系統(tǒng)工程成為主流，包含波音擁有的鑽石模型（Diamond Model），可完成從傳統(tǒng)V型文件導向轉(zhuǎn)移至數(shù)位模型導向的系統(tǒng)工程，增加實時建模、虛擬實境功能，建立飛機實體和數(shù)位模型的虛擬分身（Digital Twin），用於量產(chǎn)製造、品質(zhì)檢測、後端服務。

經(jīng)由全數(shù)位流程（無紙化）通信應用，取代傳統(tǒng)系統(tǒng)工程不靈活、昂貴和緩慢的文件檔模式，取得最佳飛機構(gòu)型、製造參數(shù)及排程，提高生產(chǎn)效率和彈性，實現(xiàn)更快且敏捷的開發(fā)流（期）程，貢獻淨零碳排。例如波音開發(fā)的兩架原型T-7紅鷹教練機，便是歸功於利用虛擬環(huán)境技術(shù)、數(shù)位分身模型導向工程生產(chǎn)。

漢翔也為此建立iAIDC智慧製造雲(yún)平臺，舉複材製程大數(shù)據(jù)分析為例，即可經(jīng)由智慧化即時監(jiān)控、預測品質(zhì)，提前預警/預防故障或失效；進而掌握製程特性，縮短開發(fā)與製造時程、提升妥善率及產(chǎn)能。近年來也受惠於導入達梭3D體驗平臺，實現(xiàn)數(shù)位模型導向系統(tǒng)工程，強調(diào)大數(shù)據(jù)的價值不僅是公司寶貴資產(chǎn)，也能貢獻節(jié)能減碳！

未來甚至於臺灣正急起直追的低軌衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)也不缺席，莊秀美在今年達梭產(chǎn)業(yè)高峰會前受訪時表示：「達梭與漢翔合作超過30年，除了軍民航太和衛(wèi)星題材以外，也曾參與美國NASA丁肇中院士主持跨國專案，漢翔負責散熱系統(tǒng)，未來還會與太空中心有進一步合作。」

**刊頭圖（source：nasa.gov）