顏光廷、蔡旻霏、陳姵吟 / 工研院材化所
熱塑性碳纖維複合材料因其優異的力學性能和可回收性而受到青睞，廣泛應用於汽車各個部件。近期，日本東麗與本田公司專注於汽車零件的回收再利用研究，計畫在2027年建立年處理500噸汽車塑膠零件的回收工廠。全球碳纖維複合材料市場持續增長，尤其在汽車、電子、船舶和航空航太行業。新興技術如3D列印為其應用帶來更多可能性，但也面臨挑戰。2023年日本IPF塑橡膠展中，展現了碳纖維複合材料在未來汽車製造業的潛力，推動整個行業向更綠色的方向發展。
【內文精選】
環保意識抬頭碳纖維複合材料成良機
碳纖維複合材料的基材包括熱固性和熱塑性兩種類型，如圖四所示。熱塑性複合材料具有可回收再利用以及製程時間短的特性，在全球環保趨勢下逐漸成為國內外積極發展的方向。自2003年起，全球最重要的複材展覽會JEC Show(巴黎)開始大量展示熱塑性碳纖維複合材料的相關應用，國外大廠TenCate及Porcher等相繼推出民生用熱塑性碳纖維複合材料，並投入相關研發工作。這些努力促進了產業的可持續發展，為建設綠色、低碳的社會做出了積極貢獻。
圖三、碳纖維複合材料示意
在航空航太領域，碳纖維複合材料更是不可或缺的材料，其用於製造飛機的機身、機翼和尾翼等部件，以提高飛行器的耐用性和燃油效率。此外，綠色產業與時俱進的增長也推動了CF和CFRP在風力渦輪機等綠色能源中的使用，而其主要應用於風電葉片的大樑部分，結構示意如圖九所示。
圖九、碳纖維複合材料於風電葉片的應用
熱塑性碳纖維複合材料加工技術
熱塑性碳纖維複合材料是當今汽車工業中的關鍵材料之一，其加工技術多樣，主要包括熔融混煉、射出成型以及3D列印(3D Printing)等方法。
熱塑性碳纖維複合材料(CFRP)的3D列印成型技術具有潛力用於航空、航太、汽車、醫療等領域。然而，這種技術也面臨著一些挑戰和困難點，簡述如下。
① 材料選擇：CFRP是一種具有高強度和輕量化特性的複合材料，在選擇適合的熱塑性基材和碳纖維增強材料時，需要考慮到它們的熔融溫度、黏度、熱穩定性等因素，以確保成型過程中的穩定性和性能。
② 成型控制：CFRP的3D列印成型需要控制多個參數，如溫度、速度、壓力等，以確保打印過程中材料的均勻性和穩定性。
③ 製造效率和成本：CFRP的3D列印成型相比射出成型需要較長時間的生產時間，因此，如何提高製造效率並降低成本，是一個重要的挑戰。
3D列印技術因其高度靈活性和定製性，尤其適用於製造複雜、客製化或小批量生產的產品。透過這項技術，可以快速且經濟地製造出各種幾何形狀的產品，滿足不同客戶的需求。相對而言，射出成型技術則在生產大批量且幾何形狀較簡單的產品方面具有競爭優勢，因為其生產運作時間較為快速，適合大規模生產流程。
國外複合材料發展趨勢
隨著複合材料技術的不斷突破和應用，2023年國際橡塑膠展(IPF Japan 2023)展示了一系列以全樹脂複合材料製作的輕量化未來概念車。這一系列展品引領了未來汽車製造業的發展方向。這些概念車以其前瞻性的設計和創新的製造技術，吸引了眾多觀眾的目光。
概念車的各項部件分別以射出、吹塑成型或3D列印的方式完成，其技術串聯了多家材料與車體廠商，包含TOYOTA、RISHO KOGYO、KYORAKU、INOAC、SHOWA以及東京大學等。概念車中不同部件使用的樹脂複合材料配方，這些配方包括聚丙烯、尼龍以及環氧樹脂等樹脂原料，通過在其中摻入10~100%不同比例的奈米纖維素(CNF)，以製作高強度的輕量化複合材料。
在這些配方中，聚丙烯通常被用於製造車輛內飾部件和輕型結構件，因其具有良好的成型性和耐用性。尼龍通常被用於製造耐磨損和耐高溫的部件，如引擎罩和懸掛系統。而環氧樹脂則被廣泛應用於高強度和高性能要求的部件，如車身框架和動力傳輸系統。
在這些樹脂中摻入不同比例的CNF，可以有效地提高複合材料的強度和剛性，同時保持輕量化的特性。CNF具有優異的機械性能和高表面積，能夠有效地增強樹脂基質的性能，使得複合材料具有更好的抗拉強度、抗彎強度和耐磨損性能 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》449期，更多資料請見下方附檔。