從特斯拉2020年鋁合金專利展望車用材料研發(上)：材料世界網

高竹均、黃爾文 / 交通大學材料科學與工程學系；陳俊沐、賴宏仁 / 工研院材化所；李玟頡 / 國家高速網路與計算中心

相對於由輕量化的角度來單看2020年初特斯拉發表的新型鋁合金專利；大約半年後馬斯克發佈的全球最大壓鑄機，更將鋁合金的應用提升到全新的境界。鋁，這項地殼中最多的金屬元素，曾經因為提煉的不易，而被拿破崙三世選為登基時，取代黃金以製作王冠的炫富材料；現在，則因為工藝的成熟，幾乎可以百分之百的回收再利用。鋁合金的重量輕、比強度高、耐腐蝕、可塑性高等優點，在汽車、航太與軌道交通等領域，成為高價值產品的首選，並因而成為先進製程等工藝突破時，首先被考量拿來應用的金屬材料。

除了上述特斯拉的最大壓鑄機之外，應用3D列印積層技術於鋁合金製造的研發與需求，也是蓬勃發展的領域。例如，應用3D列印微衛星太陽能面板的特殊構型鋁結構材料。相對於已經成熟的熱處理與非熱處理鋁合金，3D列印積層除了可以製作出比強度更高、更輕量化的構型之外，不同的冷卻與固溶速率，也創造了新型態的微結構，超越傳統鋁合金強度與韌性的侷限。此外，本文也報導近年具代表性的鋁合金技術開發歷程以展望應用新興數位科技的機會。文末，回顧美國材料界於AmericaMake計畫下應用Integrated Computational Materials Engineering (ICME)導入汽車產業的鋁合金研發架構，以簡介美國產、學、研開發新材料的系統化作為，以供國內產、學、研未來攜手車用鋁合金技術研發時之評估參考。

前言

隨著疫情與國際情勢的發展，供應鏈的重組與循環經濟的加速，已成為決策未來所不能忽視的大趨勢[2, 3]。在上述大格局之下，不變的強勁需求則仍然是在工程上，朝低耗能、比強度等的高成效方向來研發。此外，從科政中心2019年發表的「我國百大社會課題調查研究」，也可以看到國人殷切期盼的解決空汙等民生與提升薪資等議題。上述兩個需求的交集切入點，可以從研發高值化的輕量化的交通載具與應用；提升產業價值、降低交通運輸的移動式污染源等，得到解決。

以高值化的航空產業為例，擁有最多空中巴士A320neo機型的easyJet公司，其新型A320neo飛機的LEAP-1A引擎較上一代的A320省15%的油耗與CO₂排放，更減少了起降噪音的50%，進而可預期將下降7%的營運成本。除了新型材料選用減少全機重量之外，此架飛機使用的Superalloy燃料噴嘴(Fuel Nozzles)是以3D列印一體成形製作出複雜構型，大幅減少傳統元件接合間的焊件與材料。

除了航空業之外，交通產業都面臨了既要提升速度，又要減輕燃油成本的需求，同時還面臨更嚴格的油耗、環保法規。因此高比強度、耐腐蝕又美觀，且可以回收的鋁合金乃成為現階段科技下，最重要的商用選擇。

車用鋁合金市場成長

以特斯拉為例，要突破出行里程數－承載所面臨的續航力兩難，一方面必須精進電池效能與儲能的科技以突破電池量產、耐久與續航力，以期在市場符合消費者使用慣了的傳統燃油車使用習慣。另一個能努力的，就是在乘客安全得到保障的前提下，降低車體的重量。因為車輛本身的重量是決定耗能多寡的主要因素，因此車輛輕量化成為了各公司角逐的目標，也是汽車研發的趨勢。

在不同結構材料間相比，鋁合金的密度僅有鋼鐵的三分之一，且具有良好的可塑性和回收性，純元素鋁強度上雖然不足與鐵相比，但其應用在機械載具上的安全性，因為比強度(強度/密度)的優勢，再搭配---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。