碳纖維市場及發展現況

刊登日期:2016/3/5
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碳纖維具有質量輕且高強度的特性,85% 以上之碳纖維是由聚丙烯腈製成。2015年全球的聚丙烯腈系碳纖維生產量目前初估可成長 10.8%,到達 5.94 萬噸,由於汽車產業對碳纖維的大量需求、大批量生產技術的成熟及成本的降低,預估至 2022 年生產量會急遽增加至 14.27 萬噸。碳纖維應用的前四大領域為儲能、航太軍需、運動休閒及汽車產業,分別占 31%、22%、13%及 11%;由於對溫室氣體排放的要求,未來碳纖維於汽車產業的應用,預期將具有最高之成長率,因此碳纖維製造廠也積極與汽車製造商合作,以開發新產品及技術。

碳纖維簡介
碳纖維是把聚丙烯或石油、煤炭等的副產物瀝青加熱碳化處理而得的纖維,百分之九十以上的成分是碳原子,每一根纖維的直徑約 5~10微米,碳原子晶體沿著纖維長軸方向排列,所以具有質輕強度高的優異特性,同體積下,碳纖維的重量是鋁的二分之一,是鐵的五分之一,然而碳纖維的抗拉強度卻是鋼的十倍。碳纖維沿長軸方向的強度及彈性模數高,長期受力下不易發生潛變,而且具耐疲勞性佳、熱傳導率高、摩擦係數小、潤滑性佳、熱膨脹係數小、耐腐蝕性佳、X-ray 透過性佳、比熱及導電性介於非金屬和金屬之間等優點;但碳纖維的耐衝擊性較差,而且在強酸作用下會發生氧化反應,與金屬材料複合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。

聚丙烯腈系碳纖維市場
2013 年全球聚丙烯腈系碳纖維生產量約為 4.90 萬噸,到 2014 年時成長了約 9.2% 至 5.35 萬噸,相當於 1,653 億日圓的產值,而2015年全球的聚丙烯腈系碳纖維生產量,目前初估可成長 10.8% 到達 5.94 萬噸,日本富士經濟推測到 2018 年總生產量會達 8.73 萬噸,相當於 2,335 億日圓產值,至 2022 年由於汽車產業對碳纖維的大量需求及大批量生產技術的成熟、維護和成本的降低,聚丙烯腈系碳纖維生產量會急遽增加超過14.27萬噸(如圖二所示)。

碳纖維製造廠商現況
碳纖維的生產基地多位在美國及歐洲,主要是為供應 Boeing 和 Airbus 製造飛機所需,就近設廠以減少運輸成本;Toray、Toho Tenax及Mitsubishi Rayon 為日商,所以在日本均設有生產基地;2013 年 Toray 併購以生產大絲束碳纖維為主的美商Zoltek,但併購後仍維持 Zoltek 名稱銷售碳纖維;Toho Tenax 則於 1999 年被日本帝人( Teijin )公司收購,但也維持原有之 Toho Tenax名稱繼續製造銷售碳纖維。其中 Mitsubishi Rayon 及 Cytec 二家公司同時生產聚丙烯腈系及瀝青系碳纖維,其它則生產聚丙烯腈系碳纖維。

圖四、全球碳纖維製造廠商2015年的市佔率
 
碳纖維於汽車產業之應用
由於碳纖維複合材的強度高, 以往多用於賽車及高級跑車的車身結構材,具有優異的保護性質。但近年由於歐洲對二氧化碳排放量的強制規範,為求汽車輕量化,以減少廢氣排放量、減緩溫室效應及地球暖化速度,各大汽車製造商正積極投入大量資源,研發並量產碳纖維於一般大眾車的應用上,例如 BMW i8 超級跑車及 BMW i3 小型電動汽車的車體皆是使用碳纖維複合材料,其重量較一般傳統鈑金車體減少了 50%;Lamborghini 旗艦跑車 Aventador 的車頂結構材,則是採用……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖六、Toho Tenax 新開發的微波碳化技術
 
作者:鍾秀瑩 / 工研院產經中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」351期,更多資料請見下方附檔。

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