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產業技術評析

複合材料應用於汽車領域之機會與現況
發表日期:2018-10-17
作者:蕭亞漩(工研院)
摘要:
根據法國汽車產業研究中心INOVEV資料指出,2017年中國大陸單一地區的汽車生產量約為3,000萬輛,已經等同於歐洲與美國生產量總和,預期未來中國大陸汽車市場需求仍持續成長。

全文:

一、中國大陸汽車市場蓬勃發展提供複合材料發展契機
 

根據法國汽車產業研究中心INOVEV資料指出,2017年中國大陸單一地區的汽車生產量約為3,000萬輛,已經等同於歐洲與美國生產量總和,預期未來中國大陸汽車市場需求仍持續成長。中國大陸汽車市場受到政策要求發展全電池動力車,訂定目標要求2019年電動汽車占汽車銷售量的10%,並逐步提高電動汽車銷售量;至2030年時電動汽車銷售量應提高至汽車銷售的30%。在需求持續提升的情況下,中國大陸也成為電動汽車的主要市場。中國大陸新車廠與品牌近年蓬勃出現,複合材料廠商也在國家政策推動下積極投入汽車領域相關應用。
 

汽車輕量化有助於提高汽車能源效益,達到節能減排之功效。電動汽車受到大型電池以及氣體鋼瓶重量影響,更重視輕量化的議題,因此對於使用高分子複合材料接受度不斷提高,提供複合材料應用於汽領域的發展契機。
 

二、複合材料種類繁多技術挑戰高
 

複合材料因加工過程繁複,原材料與加工類型繁多,皆會直接影響到成品性能以及產量多寡。應用於汽車領域的複合材料所使用的強化纖維種類,包括碳纖維、玻璃纖維以及無機填充物等;強化纖維型態包括短纖維、長纖維、連續纖維、編織品或無紡布等。
 

而高分子複合材料的基質可分為熱固性樹脂以及熱塑性樹脂兩種,熱固性樹脂如環氧樹脂、酚醛樹脂與乙烯基樹脂,熱塑性樹脂以聚丙烯、聚醯胺與壓克力樹脂為主。熱固性樹脂固化後以共價鍵進行結合,基本材料強度較高,但材料無法回收;熱塑性樹脂黏度低,為改質前材料強度不如熱固性樹脂,但對於環境耐候性佳,且材料固化後可加熱進行回收。
 

依據纖維與樹脂性質的不同,發展出多樣化的成型加工方法;依據不同加工方法,原材料需製成不同型態的中間產品,如圖1的中間產品所示。最終製成各應用部件產品,以汽車應用為例,包括、車架、底板架、門板、座椅架、電池殼等應用。
 

圖1 複合材料分類

資料來源:INOVEV, 工研院產科國際所 ITIS研究團隊 (2018/09)
圖1 複合材料分類
 

三、適用快速製程的熱固性樹脂具發展前景
 

熱固性樹脂生產商Hexion開發出快速固化的環氧樹脂做為複合材料基質,將固化時間於縮短至3~5分鐘內,降低複合材料製造所需時間;開發適用於中等產量至高產量生產技術的碳纖複合材料樹脂。Hexion以樹脂製造商角色,協助開發大量複合材料製程所需的樹脂材料。保時捷911 GT3的車門與車窗框,即是該公司開發之熱固性碳纖複材進行量產產品應用的最佳案例;也嘗試應用熱固性碳纖複材製作汽車座椅框架,相較於鋼材結構可減重58%。
 

複合材料應用於汽車飾件時,對於產品表面要求較嚴格,複合材料部件需要額外表面噴塗處理。Hexion與塗料廠商Votteler合作,開發出高品質免噴塗的複合材料成型系統─PuriCoat平台。該平台結合新型快速固化環氧樹脂基質與聚氨酯塗佈材料,運用中等產量的複合材料成型技術搭配模內注塑之表面成型技術(RIM, reaction injection molding)。一方面Hexion開發的環氧樹脂不含苯乙烯基,樹脂加工後的揮發性有機物(VOCs)非常低;另一方面由於最終產品不需使用噴塗技術,屬於低VOCs、無溶劑的綠色複合材料成型技術平台。
 

四、熱塑性樹脂逐漸擴大應用
 

Arkema於2013年研發出液態丙烯酸熱塑性樹脂作為複合材料基質,並在2017年參與美國先進複合材料製造創新研究所(IACMI)計畫,驗證熱塑性玻纖複合材料應用於25公尺之大型風力葉片的可能性。
 

Arkema研發的熱塑性樹脂可沿用熱固性複合材料成型方法,如樹脂轉注成型(RTM, resin transfer molding)、拉擠成型、片狀模壓成型等;由於不需額外加熱模具,屬於低耗能、加工週期較短之製程。此熱塑性樹脂與碳纖維複合後,應用於量產之汽車引擎蓋板;也可運用纏繞成型加工製成熱塑性複材氫氣氣體鋼瓶,作為電動汽車領域的潛力應用。
 

熱塑性樹脂做為複合材料基質具除具有加工週期短之優點外,易回收性質為期另一優勢。熱塑性複合材料常見的物理回收方式為,複材產品回收粉碎,與其他材料摻混後再造粒應用。新型丙烯酸熱塑性樹脂具有易解聚特性(depolymerization),複材產品回收後,樹脂解聚回單體形式,後續可再聚合形成熱塑性樹脂繼續應用;另外,複材中強化纖維也可重新應用。
 

五、IEKView
 

汽車主要銷售市場已經快速轉移至亞洲地區。中國大陸因市場需求龐大,不論是傳統汽車或新型的電動汽車都是主要的地區市場。而高強度、輕量化的複合材料符合於汽車節能趨勢,使複合材料在汽車應用中不斷提升。
 

複合材料大量製造生產部件是汽車領域應用的目標。複合材料因原材料種類眾多,不同的纖維與樹脂複合後會影響適用的加工成型方式。受限於既有材料成型方式,熱固性複材僅能生產少量至中等產量之成品,廠商積極開發新複合材料及新製程,應用於汽車零組件的量產。廠商結合材料開發與製程創新,改良傳統熱固性樹脂,利用快速固化特性降低複合所需時間;或是運用新材料特性,開發易加工的熱塑性複合材料。
 

綠色的複合材料也是汽車領域應用注重的發展方向之一。複合材料於汽車應用產品包括結構件、開合件、裝飾件與電池相關組件,依照各零組件的要求對於強度、表面需求皆有所不同;但複合成型過程中對於低VOCs、低耗能要求皆越來越重視。另外考量到可回收性,熱塑性複合材料也開始投入更多汽車潛力應用中。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2019-04-25

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