合金/烯烴/複材―三箭齊發，瞄準韌性未來
在全球資源因新興國家使用量大增而逐漸缺乏的產業狀態下，重要物資受到各國管制或國際大廠壟斷，不易取得的情況將逐漸嚴重；為確保國內重要產業鏈之競爭優勢，發展關鍵自主材料以維持一定自給能力勢在必行。從國內已具有完整產業鏈之材料產業基礎上，顧及自主及市場性，聚焦高性能
碳纖維複材、高溫應用合金及民生關鍵物資等特用材料，協助既有材料產業技術升級，以建立自主供應鏈。本期【產業自主的金屬、烯烴及碳纖材料】技術專題，從金屬合金領域、高值烯烴材料、碳纖維複材三大領域，分別介紹高性能合金粉體材料與雷射積層製造技術、石化設備用高熱傳材料、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料、線性低密度聚乙烯(LLDPE)材料，以及碳纖維複合材料於製造Delta型機器人之應用、聚合反應型熱塑碳纖複材等幾篇專文，期能拋磚引玉，引導產業界及學術界投入更多的心力與資源，促進國內產業升級轉型，創造韌性未來。
超合金是一種具有優異高溫性能的高性能合金，包含良好的高溫強度、抗潛變性、抗疲勞性，以及耐高溫腐蝕與抗氧化等多種性能，常使用於嚴苛的應用環境下，例如飛機與發電廠之燃氣渦輪發動機、石化設備等應用。「高性能合金粉體材料與雷射積層製造應用技術發展」介紹金屬粉末材料製備技術，包含氣體霧化法、鎳基超合金粉末技術，以及金屬積層製造應用，同時說明雷射金屬沉積技術與鎳基超合金部品製造與維修應用。放眼國內發展航太發動機用超合金粉末與雷射積層製造技術，預期未來可帶來龐大商機。
石化產業面臨著能源效率、碳排放和原材料供應不穩定等挑戰，提高生產效率和降低碳足跡成為當務之急，亟需尋求創新解決方案。石化設備用高熱傳材料，在產業已證實為具有可行性，越來越多的公司在新工廠設計中使用高效率管材，以提高熱交換效率並節省寶貴的廠房使用空間。「石化設備用高熱傳材料技術發展」一文報導，投入高導熱耐蝕鍍層材料及製程技術研發，開發多孔結構高效能熱傳沸騰管產品，以期提升生產效率與降低碳排放，除有助於符合國際淨零減碳趨勢的潮流，並能進一步推動國產自主化取代進口，引領關聯產業升級。
超高分子量聚乙烯材料具有重量輕、摩擦係數低、耐衝擊、耐紫外光與化學品以及自潤滑等特點，可應用於特規產品，如：精密零組件、國防、航太及醫療等相關產業。目前國內上游業者尚無投入生產，應用端皆須依賴進口，關鍵性原料受制於國際大廠，且相關專利與製程也掌握在國外大廠手中。「超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料開發與應用」整理超高分子量聚乙烯觸媒與製程技術，以及現有產品市場與商品資訊，並分析相關專利趨勢，以期提供業者相關資訊與技術平台，建立完整產業鏈。
「線性低密度聚乙烯(LLDPE)材料開發及其應用」一文報導，線性低密度聚乙烯因良好的性能平衡，廣泛應用於包裝、農業、建築、汽車材料等領域。LLDPE性質隨著觸媒技術創新、α-烯烴單體種類和聚合反應製程三者之間綜合影響，使得LLDPE薄膜比其他聚乙烯薄膜具有更高的拉伸強度、耐穿刺性、抗衝擊性和抗撕裂性，同時保持膜材的柔韌性和彈性等優異的材料特性，有助於LLDPE在包裝應用領域持續增長。因應國際趨勢，包裝應用領域以單一化材料和膜材厚度的薄化設計為主軸，若國內能朝向高性能LLDPE材料生產開發，可降低國內相關產業面臨減塑議題政策之衝擊，順應應用產品轉型以符合國際環境政策。
現今全球面臨著嚴重缺工的問題，產線自動化成為目前的趨勢，因此在許多重複性高、需要精準定位或惡劣工作環境等場合，都會運用到機器手臂來取代人工，不只可以節省人力成本，還能夠提升生產效率。Delta型機器人有移動速度快、重複精度較高等優點，常被用於取放、包裝、組裝等工作，因此業界的需求量相當可觀。「碳纖維複合材料於製造Delta型機器人之應用」介紹透過整合硬體結構與軟體程式，設計及製造出一套Delta型機器人，並搭配視覺辨識進行周邊應用整合測試。而為了因應Delta型機器人高速且頻繁的運動，使用剛性好、重量輕的碳纖維複合材料，作為機器人上、下臂桿件，讓所整合製造的Delta型機器人能夠發揮更好的性能，最後再架設加速規進行量測，以了解使用碳纖維複材桿件產生的運動特性。
在節能減碳及綠色環保議題的推動下，熱塑性碳纖維複材具有可回收再應用的優點，成為世界各國重點發展之輕量化循環材料。根據全球熱塑複材市場發展研究報告指出，2022年已達到292億美元規模，且逐年成長，預估至2032年將達到640億美元。然而熱塑材料因為黏度高且與纖維含浸性不佳的技術問題，導致國內複材產業無法順利切入發展。「聚合反應型熱塑碳纖複材開發及其潛力應用」介紹以黏度低之原位聚合反應搭配樹脂轉注成型技術，並從中導入核殼微球起始劑合成技術，開發新型高含浸熱塑預浸材料，促進國內複材產業進一步升級轉型。
掌握關鍵淨零契機
因為了加速解決碳排問題，碳交易制度的落實已成為邁向低碳經濟的重要途徑之一。藉由將減碳行為導入市場機制，全球碳權市場於近幾年內迅速成長，據統計，2021年歐盟及英國碳價已將近90美元/tCO2e，全球碳市場交易金額達到8,510億美元。隨著歐盟碳邊境調整機制(CBAM)於2023年10月試行，台灣也已經通過氣候變遷因應法與碳費規劃來迎擊國際潮流，種種相關政策勢必對台灣企業造成龐大衝擊。如何在當前「碳有價時代」脫穎而出，將淨零轉型作為企業ESG一環，成為各產業不得不面對的課題。本次【碳捕捉材料技術發展及應用】技術專題，由市場面至技術端，分享二氧化碳捕獲技術的開發與應用進展，涵蓋吸附、吸收等當今主流減碳亮點技術介紹，可以針對不同濃度、場域特性之碳排產業，對應最適技術設計，快速協助廠商達到減碳需求，降低未來的經營成本，更可進一步搭配再利用技術創造龐大永續綠色商機。
為了加速全球淨零排放相關科技發展，透過碳排賦稅制度使其有價化，使國際企業得以透過國家補助政策以及相對成熟的歐美碳交易市場，加大力道將資金投入直接空氣捕捉(DAC)的負碳技術。「碳捕捉技術―直接空氣捕捉之發展與市場趨勢」從DAC關鍵廠商、操作成本、發展誘因與未來機會四個角度說明，在擴大全球DAC部署規模進展下，有利於規模經濟的低成本操作條件形成，間接帶動深度減碳的新應用市場與具潛力的碳轉化技術，產生減排、移除與碳再利用的兼容並進。
「二氧化碳化學吸收技術」一文說明，二氧化碳化學吸收係利用化學吸收劑將煙道氣的二氧化碳吸收下來，以減少煙道氣二氧化碳排放量。吸收了二氧化碳之吸收劑可經由加熱再生，並回到製程端循環使用，經過加熱的吸收劑會將二氧化碳釋放出來，此時將二氧化碳收集起來，所收集之二氧化碳純度可達99.9%以上，能作為工業級二氧化碳使用，若進一步將收集的二氧化碳純化，可作為電子級二氧化碳供給半導體廠使用。反應機構、反應速率及反應熱是選擇吸收劑的考量因素。而除了吸收劑的物理及化學性質考量，碳捕捉的製程也需要進行製程節能強化，如提高吸收效率及再生效率。若結合二氧化碳轉化烷烯烴製程技術，可將二氧化碳作為製造天然氣、乙烷、甲醇等化學原料，上述化合物又可以進一步作為相關民生用品製造之原料，使工業廢氣進一步轉為產業動能，降低碳排放以邁向2050淨零排放之目標。
「低濃度二氧化碳吸附材料技術開發」指出，大量二氧化碳排放導致嚴重的氣候變遷與全球暖化等問題，主要碳源來自大型化發電廠、鋼鐵廠及化工廠等點源，CCS技術是目前最有效達成減排的手段。近年來空氣捕獲議題也逐漸受到重視，可以藉由DAC技術去除大氣中的二氧化碳，以解決移動源的減碳問題。二氧化碳捕獲技術包括吸收、吸附、冷凍、薄膜分離以及生物法等，其中吸附法憑藉其低能源損耗、應用範圍廣泛、無設備腐蝕問題等優勢，被視為具有競爭力之減碳技術。而在二氧化碳捕獲材料開發方面，減碳效率、捕獲量、熱穩定性與操作成本等為主要參數指標，並且於應用端必須考慮到進氣氣源環境(如成分、壓力、流量、溫度)，透過最適減碳技術篩選，才能滿足終端使用者於高效、節能、低成本之減碳技術需求。
主題專欄與其他
儲氫高壓氣瓶是一種氫氣的儲存裝置，在氫能領域發揮著關鍵的角色。由於儲氫高壓氣瓶的高壓性質，這些氣瓶經常受到極端的環境和應力作用，可能會引起隱藏損傷或缺陷的形成。這些損傷如果未能及早發現和評估，可能會影響氣瓶的性能、安全性和壽命。材料與技術專欄「高壓氣瓶複合材料隱藏損傷評估」提出了接觸式與非接觸式檢測方法，在接觸式方法中開發移動式無基線的蘭姆波檢測方法，非接觸方法則透過影像方法進行，旨在檢測和評估氣瓶中的不可見損傷，以確保其安全使用。
在《巴黎協定》2050年達成淨零排放的帶動下，各種工業開始關注排放量與思考減少碳排之解決方案。過去紡織業排放了大量的二氧化碳，甚至超出了國際航空和航運等其他行業；然而現在紡織業已開始踏入綠能環保減碳，思考循環再利用之材料，隨著工業4.0興起，期透過智慧轉型數位化進一步達到減少碳排。纖維紡織專欄「低碳智慧轉型數位技術於紡織產業之策略」，報導工研院與學界合作，將過往紡織業朝向智慧化轉型的需求或面臨的挑戰進行分析，並因應發展智慧排程、製程參數優化、設備監診、AI影像辨識等相關技術，來協助紡織產業將產線與設備數據數位化，更進一步運用數據分析提升生產效率、輔助現場人員的決策。在建置資通訊化碳足跡資訊收集系統時，同步結合人工智慧等從三個面向進行低碳智慧化轉型，包含：供應鏈/全製程生產與實驗規劃低碳化、產線作業智慧化、設備永續維運智慧化。
鋁及其合金在各個領域之應用具有重要性，工業鑄造鋁合金零件可能出現表面瑕疵，需透過拋光過程解決此缺陷。鑄造鋁合金拋光屬於工業材料精進技術，常見方法包括：機械拋光、電解拋光和化學拋光。金屬材料專欄「創新鑄造鋁合金零件拋光技術」針對鑄造鋁合金進行新式電解拋光，能顯著改善鑄造鋁合金的表面粗糙度，獲得最佳拋光條件，使鑄造鋁合金零件表面粗糙度大幅下降。在全球淨零永續趨勢下，透過開發新技術回收利用鋁合金，可以減少能源消耗和二氧化碳排放，對於實現鋁資源的可持續利用至關重要，同時能夠降低鋁製造過程之能源消耗與二氧化碳排放，以滿足環境保護和未來資源需求。
近年來環保意識興起，節能減碳是未來世界環保的大趨勢。提高產業能源使用效率，是節能減碳相當重要的手段。而耐火材在諸多高耗能產業中扮演極為關鍵的角色，延續上期，陶瓷材料專欄「耐火材料技術現況與發展」一文，從傳統耐火材料之分類、應用場域切入，再推展到特殊耐火材開發，以探討耐火材高值化之可行性。最後並分析回收耐火材再使用之可能性及其他去化路徑，以此提升台灣耐火原料自給自足之潛力。
專文篇篇精彩，歡迎賞閱！結合技術發展與產業需求，歲末年終，盤點一整年淬練的研發成果，本期加碼《2023年工研院材料與化工研究所 亮點技術》特刊，精選材化所14個研究組超過百項亮點技術，隆重推薦給讀者，歡迎各領域業界參考指教，攜手合作。凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2023年12月號『工業材料雜誌』或參見材料世界網，並歡迎長期訂閱或加入材料世界網會員，以獲得最快、最即時的資訊！