纖維複合材料全球產業現況及台灣特色發展方向

 

刊登日期:2020/2/5
  • 字級

邱佑宗、葉日翔/工研院材化所
 
本文介紹纖維複合材料全球產業現況,特別是土耳其、印度、中國、歐洲等幾個高潛力區域,同時說明低成本碳纖維、基於高溫環境樹脂、熱可塑樹脂等新複材技術於航空、汽車等領域的應用前景。也簡述國內複材產業現況與代表性產品,以及工研院材化所目前研發的碳纖乾式預浸帶、熱可塑纖維複材、碳纖維回收再利用等幾項技術。
 
【內文精選】
全球複材市場概況
據複材組織JEC統計,2018年全球複合材料(Composites)市場達1,140萬噸、產值830億美元。如圖一,中國與亞洲產量520萬噸,即46%,然產值占有率卻僅41%,顯示其產品偏向低端;反觀歐洲產量240萬噸,即21%,產值占有率卻達24%,其產品偏向於高端,產品價值受地區影響顯著。全球複材市場於1960~2010年呈現平均8%高度年成長(圖二),然於2010~2018年逐漸降為4%,進入成熟階段。圖三為1960~2018年全球熱塑與熱固複材市場變化,顯示材料型態與製程的改變:熱塑性樹脂在80年代開始發展,2018年已達到複合材料樹脂總量的四成。
 
複材高成長地區
目前高值複材以北美及歐洲為主,然而全球有幾個高成長區域,如:土耳其、印度、中國及歐洲,將分述如下---完整內容請見下方附檔。
 
具未來影響性的新技術
2018年全球碳纖複材市場15.57萬噸,其中航太36%、地面運輸24%、風電13%、運動器材13%、建築5%、其他9%,如圖四。而碳纖維市場2018年為7.85萬噸,約28.8億美元,預估碳纖維需求在2022年將達12萬噸。2018年10月法國Canoe與IRT Jules Veme成立年產能兩公噸的碳纖維試驗線,以研究低成本的碳纖維原料。目標為生產模數250 GPa、強度2,500 MPa等級的碳纖維,成本低於每公斤8歐元,遠低於目前PAN系碳纖維每公斤14歐元。
 
圖四、2018年全球碳纖複材應用領域
圖四、2018年全球碳纖複材應用領域
 
台灣複材產業現況
台灣碳纖複材總體產量為全球第四,產業以中小企業居多,產品涵蓋面多達2、3千種,但集中在少數項目如運動器材、PCB、遊艇等。纖維複材產品前端設計著重創新高科技,而後端加工需要密集勞力,多數已移往大陸。而留在台灣的則以高值自行車、球拍、航空組件、遊艇為主,以巨大、拓凱、磁震、漢翔、嘉鴻為代表。
 
在原材料端的纖維生產,台灣也有一席之地,例如:兩岸台商在電子級玻璃纖維市占率超過50%、台塑碳纖維年產8,700噸於全球排名第四、南亞環氧樹脂於兩岸產能合計45萬噸占全球約12%為世界第一。而兩岸台商碳纖維使用量達每年一萬噸,其中台灣用量即高達3,500噸。
 
台灣複材未來發展方向
目前台灣複材製程對於勞力的依賴度仍高,產量與品質均一性都有賴提升。未來須藉由自動化與數位化,壓低成本並提高良率來維持領先優勢。工研院材化所目前正進行碳纖乾式預浸帶的開發,透過分子模擬、依客製化需求調整設計樹脂黏度,以分別適用於自動疊貼、3D編織、乾式纏繞等幾種不同製程,以協助國內業者投入高度自動化纖維複材製程技術。
 
如前所述,熱可塑纖維複材(CFRTP)為未來發展潮流,但目前各大纖維廠所生產碳纖維仍多以適用於熱固型樹脂為主,其與熱塑基材界面接著不佳導致產品強度不足。對此材化所已成功開發數種分別適用於PP、PC、ABS、PPS等工程塑料之處理技術(如圖五、圖六),其特色為採用水相系統,無有機溶劑污染問題,製程具高環保性。
 
基於環境永續理念,材化所也發展碳纖複材的回收技術(圖八),以微波有效率地將碳纖維加熱處理至1,000˚C以上,無論樹脂基材種類,均可裂解汽化或碳化…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖八、微波碳纖維複材回收系統
圖八、微波碳纖維複材回收系統
 
★本文節錄自《工業材料》雜誌398期,更多資料請見下方附檔。

分享