工業材料雜誌十一月號推出「輕量結構化材料」及「綠色高階工程塑膠材料與應用」兩大技術專題

 

刊登日期:2019/11/6
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節能減碳重要推手 輕量結構化新材料
在節能減碳議題驅動下,汽車輕量化已成為國際重要的發展趨勢。目前運輸載具結構用的輕質材料主要有三大方向:高強度鋼、鋁/鎂輕合金和碳纖維複合材料。高強度鋼在應用過程仍遇到一些問題,例如回彈大、延展性低,成形性與焊接性差等。汽車重量約有1/3在車身,鋁合金可滿足車身強度安全,且具有良好成形性、低成本、可回收等特性,以鋁合金取代鋼材是當前汽車輕量化的主要發展趨勢,特別是在很多豪華車型上。鎂合金則是目前使用金屬中最輕的結構材料,具有高阻尼減振、散熱易回收等優點,應用於方向盤、座椅骨架、儀表板骨架、變速器殼體。車用塑料目前仍較少應用於汽車結構件,其強度安全性與回收再利用等特性為研究重點。另外,包含高鐵、地鐵、輕軌等的軌道車輛,由於車廂輕量化,其加速性跟最高速度都可以大幅提升,雖然目前複合材料成本仍較高,但比起金屬材料有更優的輕量效果,且其抗腐蝕性能、比剛性也較佳,因此當今日本、法國等最新的高鐵車廂結構,也已部分採用CFRP複合材料。至於航太飛機,目前機身已經採用大量的CFRP複合材料。

車體輕量化可同時提升燃油使用效率和降低排碳量,是目前汽車產業面對節能減碳議題與法規規範下,降低耗能排污最具立竿見影的方法之一。隨著汽車輕量化需求的急速攀升,逐漸擴大了鋁軋延材在汽車上之應用。「汽車鋁軋延材之發展」一文介紹汽車用鋁軋延材之洲際發展趨勢,除了扼要說明目前主力產品車身外觀件使用之鈑件鋁合金外,主軸放在介紹正萌芽的析出強化鋁合金內構件以及更為前瞻之保安件;同時,針對其所採用之溫/熱衝壓成形技術、用料趨勢及產品特性亦進行重點式的分析與比較。

纖維強化複合材料國際發展現況」一文,綜整國際複合材料界於JEC World 2019展會與研討會中發表之最新發展內容,纖維強化複合材料具有高強度、高剛性和易於設計的優點,能有效減輕重量並提高有效載荷,已經廣泛應用於飛機主結構材料。除了在航太產業之外,纖維強化複合材料運用範圍已經普及至汽機車產業、運動器材產業、能源產業以及其他新興產業,未來的市場潛力無窮。另外,未來複材產業將邁向工業4.0時代,即自動化、智慧化、系統虛實化,運用人機協同走向智慧生產;而複合材料製品從金字塔頂端向下拓展同時,也注重材料之回收性,由以往數十年的熱固性樹脂製品逐漸轉換為熱塑性樹脂製品,或是將以往的熱固性樹脂複材舊品中,將碳纖維取出再製,足見循環經濟帶動之趨勢。

隨著汽車輕量化的快速發展,鋁合金成為汽車輕量化技術發展中之首選材料,因此近年來高品質壓鑄技術及高強韌鋁合金材料受到相關業者相當大的關注。「壓鑄鋁合金在汽車輕量化之應用與發展」主要介紹真空壓鑄、充氧壓鑄、半固態壓鑄技術及高強韌鋁合金材料之發展現況,並介紹已應用於汽車零組件之高強韌鋁合金。隨著汽車零組件擴大採用高強韌壓鑄鋁合金,全球各大公司也不斷開發出鋁合金汽車零組件。對於國內鋁合金壓鑄業者而言,目前還是以建立高品質壓鑄技術為主,因為沒有高品質的壓鑄技術,就算擁有高強韌鋁合金材料,也無法製作出適用於汽車之鋁合金壓鑄零組件。

基於材料的回收性,高強度鋁合金取代部分較重的車用高強度鋼,成為新世代輕量汽車的主要替換材料。汽車工業和航太工業對於輕量結構件的不間斷需求,驅動高強度、高韌性、更耐溫的鋁合金和超微細陶瓷顆粒強化鋁基複材技術創新,過去10年間取得重大的產業應用和技術進展。「結構用高強度鋁合金和鋁基複合材料技術發展與應用」簡介過去十年間,北美、歐洲等鋁合金業界研發並量產用於汽車和航太等運輸產業的高強度Al-Mg-Si-Cu-Mn、Al-Cu-Li-Mg-Ag和Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Ti-Mn鋁合金型材、板。另外,創新技術的奈米TiB2顆粒強化鋁基複材鑄件和粉末冶金奈米Al2O3顆粒強化鋁基複材擠型錠,近年已應用於航空器的結構件。

全球已開始重金投入MGI/AI平台發展,希望導入模擬工具與人工智慧,從材料端的研發推動最有效率的改革,大幅降低研發成本並縮短時程。「運用材料資料庫在輕量化鋁合金複合材料之設計應用」介紹國立交通大學與工研院材化所合作,發展讓機器「自主學習」並「增強」的演算法,透過相關性的建立,人工智慧能從巨量數據中依據需求做出預測,運用材料資料庫來開發高性能航太級鋁基複合材料。機器學習在材料領域主要方向為材料性質預測、材料製程開發、達成應用產品驗證等目標。未來期望衍生到各種高端創新產業新材料的開發與應用。

綠色高階工程塑膠製程與應用趨勢
2019年全球工程塑膠總產值超過3兆台幣(1,310萬噸),我國在工程塑膠應用占全球產值約1/6~1/7,高達600多億台幣(50餘萬噸)。工程塑膠區分為泛用工程塑膠與高階工程塑膠兩類。在泛用工程塑膠中,PE、PP、PS、PC、Nylon、PBT、POM等材料在國內有充足單體原料,主要應用為民生產品、纖維與運輸器材等,用量大宗且價格低廉;而高階工程塑膠相較於泛用工程塑膠,具有耐熱性高、物性佳與電性優異等特質,國際高階工程塑膠材料發展如聚酯彈性體(TPEE)、液晶高分子(LCP)、聚苯硫醚(PPS)等,憑藉其優異電性與機械物性,主要應用於電子、通訊與運輸產業。值得一提,5G世代即將來臨,在材料高頻通訊應用上有高規格需求,國際大廠也競相開發高頻通訊材料,若能致力建立自主高性能材料供應,搭配國內既有之電子通訊產業,將可串聯高值化產業鏈。

熱塑性聚酯彈性體綠色製程及應用」報導,熱塑性聚酯彈性體(TPEE)是由短的剛硬鏈段和長的軟鏈段所構成的嵌段式共聚高分子,因特殊的化學結構,使得TPEE同時具有橡膠的彈性、柔軟性和熱塑性樹脂的剛硬性和易加工性。其化學與物理性質由高分子的軟硬鏈段結構和組成決定,彈性與強度介於塑料和橡膠之間。硬鏈段比例增加,可增強剛硬性及化學穩定性;軟鏈段比例增加,則是提升柔軟性和低溫的性能表現。TPEE具有良好的機械強度,如高的拉伸、撕裂、衝擊強度和抗磨損、潛變、疲勞特性以及耐化學、油、氣候,並且在低溫具有好的彈性,因此被廣泛應用在車用元件、通訊電纜、工業與運動休閒製品、鐵路減震墊片、防水透濕薄膜、生醫材料和高分子改質劑等。TPEE除了具備可回收再利用的環保特性,還能透過從PET廢料,以化學回收法得到其單體或低聚物做為原料來源,實現將廢棄PET轉化成高值化新產品的循環方式。

隨高頻/高速傳輸需求大幅成長,電子通訊產品所採用之軟性銅箔基板(FCCL)必須具備低介電性、低介電損耗、低熱膨脹係數及低吸濕性等特點。LCP樹脂經過薄膜加工可產出高經濟價值的LCP薄膜,需求量日益增長,然而受限於LCP分子鏈具順向性,易影響LCP材料於製膜加工時之成型性。「液晶高分子薄膜加工製程開發與應用」介紹工研院材化所透過LCP分子結構聚合設計技術、薄膜微結構解析與精密流變及薄膜加工等研究,除了善用國內生產之LCP聚合關鍵單體,降低生產成本與串聯國內廠商外,為避免受限國外文獻與專利之薄膜製程技術,亦建立與開發製膜複合配方、薄膜加工設備設計以及建立流變平台,更有效連結原料聚合設計端與產品加工應用端。

近年來隨著光電、航太、國防及行動通訊於高頻傳輸等領域快速發展,針對高性能工程塑膠需求大幅提升,液晶高分子(LCP)因具備低吸濕、耐化性佳、高阻氣性以及低介電常數/介電耗損因子等特性,成為主要開發材料之一。台灣為PCB生產主要國家,但高速軟性基板所需之關鍵LCP膜材仍需仰賴價昂進口產品。「可溶型液晶高分子材料與應用」報導工研院材化所透過精密聚縮合技術、結晶微結構解析、流變應用平台及精密製膜加工等技術之建立,探討材料與薄膜加工製程之關聯性,開發可溶型液晶高分子材料,以及具低介電常數/介電耗損之LCP薄膜,建立關鍵材料自主化之優勢,提升國內PCB產業之國際競爭力。

聚苯硫醚綠色製程及應用」指出,聚苯硫醚(PPS)是一種具有優異的耐熱性、耐化性及尺寸安定性的結晶性高性能工程塑膠高分子,其結構由苯環與硫交替而成,可應用於汽車零件、電子零件及環保濾材等領域。目前PPS的工業製程以親核聚合反應為主,以對二氯苯、硫化鈉及高極性的有機溶劑在高溫下進行反應。然而,由於使用含鹵的單體及鹼金屬化合物,大多數聚苯硫醚的最終產品中氯殘留量都高達500~5,000 ppm。隨著國際環保議題及綠色化學品的發展趨勢,聚苯硫醚的製造商已陸續發展關於低鹵/無鹵的聚苯硫醚製程,將對環境及健康有風險的因素降到最低。

主題專欄
目前產業普遍應用於軟性電子元件的基材主要為PET等塑膠材料,在全球聚焦於綠色能源與環境的同時,促成可取代PET的生質PEF材料之應用潛力的開發。生質材料專欄「生質聚酯PEF在可撓式電子元件之應用」介紹開發新一代生質聚呋喃二甲酸乙二酯(Polyethylene Furanoate; PEF)材料之高值化應用,以PEF為基材製備具高導電度、柔性與機械強度之生質材料導電膜(PEF/奈米銀線),可取代脆性ITO電極,並將其應用於高效率有機薄膜電晶體及太陽能電池,上述材料及元件具取代傳統PET、高經濟效益與環境友善性。

近年,環保意識抬頭,各種綠色能源興起。因儲電材料之演進,眾多高電容量電池相繼被研發,鈉空氣電池即為其中一例。因鈉金屬價格較鋰金屬便宜,且生產成本較低,理論電位亦較鋰空氣電池小,故發展鈉空氣電池為現今研究之熱門題材。其中鈉氧氣電池因已被廣泛研究應用,而鈉二氧化碳電池尚於起步階段,其發展仍值得探討。能源/儲能專欄「鈉二氧化碳電池介紹」重點乃於介紹此新穎材料之鈉二氧化碳電池,並探討其中待解決之鈉二氧化碳電池材料、陰極與電解電化學反應及陽極產生鈉枝晶等問題。

人工智慧(AI)與物聯網(IoT)形成的AIoT科技創新,將衝擊整個醫療與照護產業,並徹底改變醫、護、病的溝通模式與商業模式。大健康產業可以說是永遠的朝陽產業,需求永遠都存在,但隨著時代的變遷,需要用不同的方式來回應病患或住民的需求。透過AIoT的協助,可以做到以往無法想像的精準醫療與精準照護,不但讓被照顧者省去許多時間、金錢與身體的折磨,也讓照護者能免除機械式的勞務工作,將溫暖的對話還給病患,整個醫療照護產業因而趨向良性發展展望未來的大健康產業,唯有將醫療專業與ICT科技,兩種不同語言與DNA結合,才能產生真正解決產業痛點的創新科技方案。智慧感測專欄「AIoT驅動的智慧醫養照護」從醫療產業、專業照護產業、居家健康產業剖析如何以AIoT的最新科技,協助大健康產業的從業人員,並透過新科技的輔助,用創新的方法照護他們的病人或客人。

隨著高分子粒子的應用與市場蓬勃發展,高分子粒子的合成技術以及特性驗證越趨重要,如何利用並改良各種聚合方式來達到應用的要求已是各家廠商爭相發展的目標。有機高分子專欄「高值塑膠微球技術平台及相關應用」介紹聚甲基丙烯酸甲酯共聚高分子粒子的市場以及應用,同時也介紹工研院目前在高分子粒子合成技術平台的最新進展。此技術平台可合成半微米到微米的高分子粒子,包含窄分布或寬分布的粒徑範圍,且具高折射率、機械特性、耐熱性以及溶劑相容性的特性。另外,工研院也建立了粒子特性驗證平台,使粒子的應用更加多元也更符合應用的要求。

熱門專利組合推出工研院材化所三類八項優質專利組合。「無鹵環保材料技術專利組合」包括無鹵硫醚聚合材料技術、無鹵阻燃/難燃劑應用、環保阻燃材料技術;「薄膜/塗料技術專利組合」包括高耐熱透光聚酯膜技術、無毒性聚酯透明防霧抗刮塗料技術、液晶高分子(LCP)薄膜技術;「鍍層材料/加工技術專利組合」則有石墨材表面鍍膜技術、類鑽碳材料技術及應用。材化所技術豐富多元,歡迎業界與材化所智權加值推廣室(03-5913737)聯繫洽談。

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