碳纖維複材於車輛產業之應用(上)：材料世界網

毛慶平 / 財團法人車輛研究測試中心

隨著全球暖化與氣候變遷的情況加劇，2050年淨零排放的目標已逐漸成為各國的共識。在運輸領域方面，減碳策略主要以車輛電動化為發展趨勢。但，在電動車之發展過程中，減重常常是各車廠所需面對與正視的課題，因此，具備質量輕、高強度、高剛性等優點的碳纖維複材逐漸受到車輛產業所青睞。本文將先從複材在過去各車款應用的演進作介紹，並對碳纖維複材在新能源車輛零組件(如電池組、儲氫罐)應用現況作說明，最後再針對國內複材業者在車輛產業投入的現況及未來面臨的挑戰作剖析。

【內文精選】

碳纖維複材優勢與產業需求

1. 全球2050淨零排放目標

隨著全球暖化與氣候變遷的情況加劇， 2021年11月1日至12日全球約200個國家於蘇格蘭格拉斯哥舉行第26屆聯合國氣候變遷大會(簡稱COP26)，會議中通過「格拉斯哥氣候公約(Glasgow Climate Pact)」，並發布「加速朝向100%零排放與貨車轉型宣言(Declaration on Accelerating the Transition to 100% Zero Emission Cars and Vans)」，期望敦促各國政府提出減碳期程與積極路徑。截至2022年10月為止，全球已有137個國家承諾淨零排放，共占全球溫室氣體排放量的85.8%。其中，宣示於2050年達成國家共127國，2060年達成共10國。然而，為達到2050淨零排放的目標，各國在運輸減碳方面不外乎祭出運具電動化、課徵碳關稅、供應鏈減排等策略，因此國際車廠亦陸續宣示淨零碳排之目標時程，並規劃推出淨零排車款與承諾要求(或協助)供應鏈進行減碳。

在電動車(Electric Vehicle; EV)的開發過程中，雖可將原來傳統車輛所配置的燃油動力系統(如引擎、變速箱等)加以移除，但卻須額外加入馬達(Motor)、驅動器(Inverter)及電池組(Battery Pack)等電動車特有的系統配置，勢必將導致車輛的重量增加。因此，國際各大車廠為了減重的需求，皆紛紛將原來車體結構所使用的鋼材陸續替換為輕合金(如鋁合金、鎂鋁合金等)或碳纖維複材(Carbon Fiber Reinforced Polymer; CFRP)等質量較輕的先進材料。

2. 國際碳纖維複材需求趨勢

(1) 何謂複合材料？

複合材料為主要由兩種或兩種以上不同物理和化學性質的物質所組合而成的一種多相材料。從組成與結構方面來看，其中一相是連續相，稱之為基材(Matrix)；另一相是分散相且被基材包覆，稱之為加強材(Reinforcement)。若以基材來區分，大致可分為：金屬基複合材料(Metal Matrix Composite; MMC)、陶瓷基複合材料(Ceramic Matrix Composite; CMC)及高分子基複合材料(Polymer Matrix Composite; PMC)三大類。

國際車廠碳纖維複材之應用

1. 車輛產業複材應用的歷史

談到車輛產業的複合材料應用，則不能不清楚其過去的歷史，如圖六所示。車輛產業最早使用複合材料，源於1953年美國通用汽車旗下的Chevrolet Corvette C1車款，該車款的車身部位主要採用玻璃纖維(Glass Fiber Reinforced Plastic; GFRP)進行設計，期達到車體減重的目的。到了1957年，東德衛星汽車(Trabant)針對其車款之開關件(如車門、引擎蓋、行李箱蓋等)利用Duroplast材料(即棉纖維浸於酚醛樹脂製成的塑料)進行製造；當年Lotus公司Elite車款亦針對其車體以玻璃纖維設計製作。1960年代間，纖維強化之片狀模壓材料(Sheet Molding Compound; SMC)陸續成功地被開發出來，進而受到美國通用汽車的矚目，該公司在1972年進一步將SMC材料應用於Chevrolet Corvette車款的所有車身板件中。到了1981年，McLaren公司首次將碳纖維複材應用在一級方程式賽車(Formula One, F1)的全承載式車體(Monocoque)，這也是碳纖維複材與車輛產生連結的首件作品。自此之後，碳纖維複材於車輛產業也正式進入了小批量產車型應用的時期。

圖六、複合材料於車輛產業應用之歷史

自2020年起，歐洲各家車款之電動車仍持續應用碳纖維複材於車體結構中，如BMW iX車款、Audi e-tron GT車款，如圖十六所示。另，Jaguar Land Rover公司過去以打造鋁合金車體著稱，但因應電動車款之開發需求，亦於2021年起宣布啟動為期四年之Tucana計畫，將應用碳纖維複材來取代部分鋁合金材料，以期提升車體剛性30%，並減輕車重約 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。