航空材料的創新，環保熱塑性機身
航空業創新，新世代材料當紅，因應快速交機與淨零壓力 熱塑性複合材質具輕量、高生產效率、可回收優勢獲青睞
全球航空業在疫後快速回溫，帶動航空器產業發展，根據 MarketsandMarkets 的報告指出，2024 年全球航空複合材料市場估計為 291 億美元，預計到 2029 年將達到 521 億美元，年複合成長率為 12.3%。面對快速交機與淨零排放壓力，航空製造正加速從傳統鋁合金與熱固性複材，轉向應用具「輕量、高生產效率、可回收性」的新世代熱塑性複合材料。
過去航空機身主要採用鋁合金與熱固性複合材料。其中的熱固材料具備優異強度與熱穩定性，卻須仰賴高壓釜設備並經長時間固化，不利於快速交機與大型組件的批量生產。而熱塑性複材可透過加熱方式快速成型，並可應用雷射或超音波等先進設備進行快速銲接，實現大型組件結構一體化、降低組裝複雜度與重量，同時具備回收再利用潛力。
2025年1月13日由歐洲Clean Sky 2計畫開發出的「多功能機身樣品（Multi Functional Fuselage Demonstrator,MFFD）」在巴黎舉行的JEC展中榮獲航空航太-零件組的「2025 JEC複合材料創新獎」。此MFFD為長8公尺、直徑4公尺的機身段樣品，以自動化組裝上下兩個180°殼體的方式生產，並使用熱塑性CFRP材料，雷射銲接和間隙填充技術進行製造。與目前在機身密合後再組裝客艙和貨艙區域的方法相比，這種方法銲接加工快速、生產速率高，具有生產時間快速的顯著優勢；波音（Boeing）公司亦展示了其777X客機的熱塑性複合材料襟翼。通過採用纖維自動鋪帶（Automated Fiber Placement, AFP）技術與原址固化製程技術，達到襟翼一體化成型，減少90%的固定鉚釘的使用量。
由川崎重工（Kawasaki Heavy Industries）與東麗（Toray）共同開發的熱塑性碳纖維增強型複合材料 （CFRTP）機身蒙皮板得到了2025年的JEC複材創新獎，利用「局部共固化（Local co-consolidation）」的方法，控制上模具內的溫度分佈，移動下模具與熱塑性碳纖維增強型複合材料，固化成型具縱樑的飛機蒙皮。此生產製程的生產速度更快，且無需大型壓力機，並可以在一個製程內將多個桁條固化連接到蒙皮上，快速生產高穩定品質的飛機蒙皮。這些案例都顯示，國際航空業者對熱塑技術加速導入的高度關注。
為協助我國材料業者爭取全球航空材料轉型訂單，經濟部產業技術司透過科技專案推動法人研發團隊布局熱塑性航太複材相關技術。「工研院材化所」與「塑膠中心」分別針對熱塑性複材之碳纖材料生產與材料複合技術進行開發。其中，工研院材化所開發「低碳排碳纖維製程」技術，利用模組化均相場產生之微波，穿透多孔陶瓷保溫爐管，進行碳纖維的加熱生產。該技術可降低碳纖維生產製程中約30%能耗，並有效縮短加工時間，達成降低成本與節能減碳的雙重效益。
另一方面，塑膠中心則開發「高溫碳纖維表面漿液（sizing）技術」與「粉末流動化調控技術」，前者技術解決了高溫加工下碳纖維碳化破壞的問題，同時提高碳纖強度至T800等級，後者技術解決熱塑性航太複材加工時因熱塑性材料的高黏度，無法滲入碳纖維孔隙，導致複合材料成型強度不足的問題。
面對全球航空材料朝向可回收熱塑性複合材料轉型的趨勢下，經濟部產業技術司以法人科專的資源，開發出生產熱塑性航太複材之碳纖材料生產與材料複合技術，突破我國在航空熱塑複合材料領域的生產瓶頸與降低生產成本，可協助國內廠商提升產品之國際競爭力。
（作者是劉致中；工研院產業科技國際策略發展所組長）
熱塑碳纖複材即將供應航太零組件
熱塑性複合材料在航太工業的應用日益廣泛，如全球領先的航空航太零組件供應商GKN Aerospace在飛機翼肋結構率先導入熱塑複材，進行自動化生產並以焊接取代鉚接，較傳統金屬及熱固複材分別可減重50%及20%，同時縮短組裝生產週期，整體機身生產成本可降低20%，為航太零組件供應鏈帶來了新的發展潛力。
熱塑碳纖複材的上游產業主要包括碳纖維和熱塑性高分子材料的供應，碳纖維因其高強度和輕量化特性，成為複合材料的核心原料，然而碳纖維本身不具黏性，需進行表面處理以提升與熱塑高分子的界面接著強度。塑膠中心與國內石化大廠開發了高溫碳纖維表面漿液（sizing）技術，使碳纖維在高溫加工狀態下不會碳化破壞，且強度高達T800等級，適用於高階產品的開發。
而傳統的熱塑高分子黏度高，難以滲入碳纖維間的孔隙，導致複合材料強度不足，為解決這一問題，在經濟部產業技術司的支持下，塑膠中心開發「粉末流動化調控製程技術」，突破國外專利壁壘，提升熱塑材料的含浸性，這項技術不僅減少生產成本50%，還降低設備能耗40%，具備節能省電效益。此外，塑膠中心還成功開發「高含浸熱塑連續碳纖維複材製程技術」，並建立高端複材精密混成加工技術整合平台。這些技術的突破，使得國內複合材料產業能夠自主生產高品質的熱塑碳纖複材，擺脫對國外材料的依賴。
在中、下游產業方面，塑膠中心的技術轉移和產業串連促成航太零組件的新價值鏈。塑膠中心透過與國內碳纖維領導業者合作，將這些高強度碳纖維被導入化學品大廠的產線，建立了國內第一條聚芳醚酮系（PAEK）連續碳纖複合材料試量產線，帶動廠商投資新台幣1.2億，創造產值約5億元。這些技術的應用不僅促成了航太精密零組件的開發，還銜接了國際產業供應鏈。例如，熱塑碳纖複材在航太領域的應用包括飛機機身、機翼、尾翼等結構件，重要的是，熱塑碳纖複材不需冷凍儲存，可快速成型為零組件，且零組件無須鑽孔及扣件即可透過焊接技術進行組裝，有較降低整體加工過程之碳排放，此外，組裝而成的部件因其輕量化特性，有助於提高飛行性能和燃油效率，成功讓航太製造業大幅度減碳。
在經濟部產業技術司的補助下，塑膠中心在熱塑碳纖複材領域的技術研究和轉移，通過上中下游產業串連，成功推動航太零組件供應鏈的升級。這些技術的突破不僅提升了國內複合材料產業的自主供應能力，還吸引了大量廠商投資，為臺灣在全球高階複材市場中奠定了堅實的基礎。未來，隨著技術的進一步發展，熱塑碳纖複材在航太、國防、電動車等領域的應用前景將更加廣闊。
（作者是張修誠；塑膠中心技術研究發展部經理）
低碳排碳纖生產新製程
碳纖維是航太產業不可或缺的材料，以波音787為例，總重量254噸，其機身和機翼主要結構中使用了大量的碳纖維複合材料，占整機用材約50%，不僅使機身重量減輕約20%，也提升燃油效率和飛行性能。與未採用碳纖維的777-300ER相比，可節省約22%燃油。
近年來，碳纖維應用已從傳統的航太領域，逐步拓展至無人機、風電葉片、製造業自動化設備及高階運動器材等。例如：50米以上的風電葉片需承受巨大風壓造成的彎矩，其結構骨幹即使用拉擠成型的碳纖維板。2024年羽球雙打我國金牌選手所使用的羽球拍，其拍框與中管也有使用高剛性的碳纖維複合材料。電子業、生醫包裝產業所使用自動裝配或分檢用的機械手臂，亦開始採用質輕且具優異制振特性的碳纖維，以提升移動效率與精密度。競速自行車架也因採用高階碳纖維將重量降至700克。
車用方面，2014年BMW-i3都市電動車的乘客艙籠採用碳纖維製作，重量僅約130公斤，相較傳統鋼材客艙籠的520公斤，成功減重75%。而未來潔淨能源載具如氫能車，也預計大量採用高階碳纖維。舉例來說，一輛續航450公里的小客車需裝載5公斤的氫氣，若使用一般鋼瓶，瓶身重量將超過600公斤，但採用碳纖維複合材料瓶，重量僅約80公斤，具備顯著輕量化優勢。
然而，由於高階碳纖維亦可應用於軍公領域，例如F-35戰鬥機使用大量碳纖維複合材料，約占其結構重量的35%，主要用於機身、機翼和其他結構部件，以減輕重量並提高飛機的性能和隱身能力。高階碳纖維也被廣泛用於火箭推進器的燃料桶槽、火箭彈身結構等，故受到各出口國的戰略管制，我國複合材料製品業者因取得不易，不僅受限於設計規格，也影響產能規劃。此外，碳纖維的製造過程冗長且高耗能。以市占率最高的聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）基碳纖維的生產過程來說，包括PAN原絲的噴紡、延伸，原絲再經預氧化、環化、碳化等將過程2公斤的PAN原絲轉化為1公斤的碳纖維。生產1公斤碳纖維的能源消耗大約在200到300千瓦小時（kWh），並產生20公斤的碳排放量，屬高碳排材料，其中碳纖維原絲的預氧化製程就占約50%。因此，發展低能耗、低碳排的碳纖維製程技術已成為全球關注重點。
在經濟部產業技術司科技預算補助下，工研院開發「低碳排碳纖維製程技術」，以模組化均相場微波驅動碳纖維原料發熱、並開發微波可穿透的多孔陶瓷保溫爐管，完成國內第一組節能碳纖維製程模組。這套模組設計前採用精密的高頻電磁波場模擬，消除腔體內的共振節點，使維波均勻且精密的作用於碳纖維本身，以確保品質的均一性，此外，特製的多孔陶瓷保溫爐管，可讓微波穿透促使於其內的碳纖維自發熱，而陶瓷爐管極低的熱傳導性，又可將碳纖維產生的熱能保存於管內，一方面維持碳纖維體的高溫，另一方面又保護腔體壁面不致因高溫熔毀。該產線目前已開始試驗產線，目前年產能約1,400公斤，所生產高階碳纖維，除用於材料測試外，也用於複合材料製品打樣試製。未來整合於碳纖維的製造，可減少碳排30%，除提升國內碳纖維製造業者成本競爭力並降低碳排，也確保中下游複合材料業者原料來源不受國際高規格碳纖維戰略管制的影響。
（作者是邱佑宗；工研院材料與化工研究所技術總監）
本文同步刊登於2025/7/13經濟日報A11產業追蹤