因应国际净零碳排趋势，碳纤维复合材料因为可实现後端产品轻量化，兼具高强度特性，自然可降低运行时消耗的能源、燃料与排碳，而在航太、电动车等交通运输，以及3C、风力发电等领域广受应用，近10年来热塑性碳纤发展速度更比热固性碳纤复材快上数倍。

现今所称「复合材料」，通常系指两种或两种以上的材料，经过复合工艺而制备的多相材料，利用各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优於原组成材料，从而满足各种不同的要求。其中又可分为基体和增强材料两部份，目前市面上非金属基体主要为：合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷；增强材料则包括：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等有机纤维，以及碳化矽纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

碳纤维复合材料因为具有重量轻、强度大的特点，在各个产业备受青睐，包括在航太领域，因为碳纤维的尺寸稳定性且单位密度的强度高，早已应用於人造卫星及飞机的尾翼和横梁；在汽车领域，则看好碳纤材料重量比钢材轻，强度却是钢材的10倍以上，所以在汽车内外装饰件开始广为使用，使汽车在轻量化方面能有显着突破，在进入电动车时代更可分摊庞大电池系统在车体上的总体重量。

热塑性碳纤维复合材料还因为具有以下几项优势：韧性较高、损伤容限大、维修方便、可反覆加热冷却成型、成本低、原料不须低温储存、成型加工周期较短，且具有良好的可循环性和不污染环境的特性，使之成为各大企业重点研究的对象，

图1 : 碳纤维复合材料因为具有重量轻、强度大的特点，在各个产业备受青睐。（source：yachtsinternational.com）

展??热塑复材发展 犹待突破瓶颈

尤其是台湾在30年前碳纤复材应用发展就已相当成熟，甚至被誉为台湾奇迹之一，早期较热衷於开发热固碳纤复材，经累积一定能量後，可用此成本更贵10倍的材料取代原有木质或铝合金材质制的网球拍、自行车等民生消费产品。至今台湾区复合材料公会成员已涵括从上到下、低价到高价等复材产业链，业者逐步从中国大陆回流台湾生产，即使碳纤维受限於军品管制，仍建构从原材料、高压炉、绕线机、预浸布等制程设备一应俱全，以及汉翔从应用面带头革新。

然而，目前因为热固性碳纤复材仍采取热压炉的高温高压成化工法，导致成本居高不下且属於高耗能制程而亟须变革，热塑性碳纤材料将是复材下一步关键技术指标。为深入探讨热塑性碳纤复材的应用契机，进而结合塑胶成型加工技术拓展市场，塑胶工业技术发展中心也在甫落幕的「台北国际航太暨国防工业展（TADTE）」期间，举行「轻量化复合材料的创新应用」研讨会。

身兼复材公会??理事长的汉翔航空工业公司??总经理庄秀美表示，由於具备轻量化、强固，又容易维护的碳纤材料特性符合现今ESG潮流，包含波音、空中巴士等航太业龙头，很早就已导入用於新机身上约有50%结构来减少油耗；就连汽车、机器人产业，也为了轻量化要求，藉此提升荷重与强度；进而衍生出「氢经济」所需的燃料电池和高压气瓶等储存、运输器具。

塑胶中心技术发展部专案计画主持人张修诚进一步指出，为顺应现今产品轻量化趋势，热塑碳纤复材既能实现产品希??兼具轻量化与高强度目标，还拥有成型周期短、韧性隹、树脂选择性高，易於加工、无存放限制、可回收再利用等优点，而符合全球节能减碳的环保概念。

据统计全球热塑碳纤复材市场规模预计於2025年达到170亿美金，相较於2017年仅98亿元美金的5年内复合成长率（CAGR）达到7.6%，又以包含航太换机潮、车辆轻量化等交通运输、大尺寸风力发电叶片、消费性电子趋向轻薄强及建筑产业成长最为显着。

包括因应未来NB厚度将从1mm缩减为0.6mm，现行铝镁合金材质容易因此翘曲，势必要导入碳纤材质才能解决；航太产业虽然曾迎接30年一度的换机热潮，当时估计2018~2024年CAGR可??成长11.25%，市场规模将从2017年约250亿美金增为2024年的530亿元美金，却因为2019年起爆发的COVID-19疫情而戛然中止，现仍主要用於机翼上相对小型的Sine-wave梁柱、对接T型加强梁等结构件，在波音777型客机占比达到50%以上，未来还可??导入太空通讯卫星/火箭、无人机外壳、管件等前瞻应用领域。

张修诚进一步分析风机产业的叶片大型化趋势，系基於对发电机高度、输出功率提升需求。目前台湾西海岸离岸风机的叶片约占风机成本85%，尺寸将持续从约为80m放大至100m，且将玻纤材质逐步改为碳纤之後，使其输出和转换效率递增，预估全球2024年市场规模将达到800亿元美金规模，驱动复材产业蓬勃发展。

但目前台湾碳纤复材产业遭遇的瓶颈，主要受制於国外专利封锁及关键设备昂贵，导致台湾复材产业仍停滞於热固复材领域，无法顺利升级转型，朝向热塑复材领域发展。更重要的是，单方向热塑预浸材受到国外管制，导致台湾不易取得关键材料发展，进而影响庞大上下游应用端，延迟轻量化产品开发时程，错失市场良机。

图2 : 塑胶中心技术发展部张修诚指出，目前台湾碳纤复材产业遭遇的瓶颈，主要受制於国外专利封锁及关键设备昂贵、单方向热塑预浸材受到国外管制。（摄影：陈念舜）

航太制造大厂引领 台湾热塑复材业竞争国际商机

汉翔公司工程处结构分析组长谢福涌进一步表示，如依航太业预计2050年实现净零碳排放目标，国际航空运输协会（IATA）成员也为此，将原先2010~2020年间燃油效率平均每年提高1.5%的承诺，实际提高了2%以上。到了2050年，还须将航空业的碳排放量降至基准年（2005）的一半，因此须将可持续或称生质/环保燃油（Sustainable Aviation Fuel）占航空燃料消耗的贡献率，自0.1%增至约65%；同时引进新科技，如热塑性碳纤复合材料、电动引擎、氢电池或燃料引擎等航空器的贡献率达到13%。

目前航太业近5~10年来正竞相投入开发热塑性复合材料来实现零碳排目标，主要即系基於3大特色：

1.减少制程能源消耗：除了因采用更高效的非热压炉制程，可大幅削减能源消耗、缩短成化时间，且少了热固性复合材料所需的冷冻仓储，可常温储存

2.减少排碳：受惠於热塑性复材焊接技术，得以减少成千上万个五金扣件数量；并透过前瞻性设计，扩大热塑性复材的使用范围。估计结构件重量将比起金属减轻50%、比起热固复材减轻20%。

3.可回收能力：因为热塑复材具有更高的抗冲击和抗疲劳性，确保零组件可承受长时间使用，并在其生命周期结束时完全回收，且在其他次结构零组件或产业重新融化、降级再利用，预估从今起10年内正被航太业广泛使用於各种飞机零组件。

初期主要用於内装部件、小结构件已相当成熟，再逐步扩展到飞机大型结构的控制面、机身或机翼上零件，并结合自动叠贴、非热压炉制程等，引进焊接制程，进而减少零件数轻量化及结构组装时间，比起传统热固复合材料制程更为节省能源消耗。

图3 : 国际航空运输协会成员到了2050年，须将航空业的碳排放量降至基准年（2005）的一半，因此加速引进新科技，如热塑性碳纤复合材料、电动引擎、氢电池或燃料引擎等航空器。（source：miro.medium.com）

例如目前湾流商务机（G650）的升降舵、方向舵结构件，便已使用感应焊接组装，取代传统的钻孔与铆接施工，达成更轻量化目标。除了在制程中更节能之外，在全寿命周期也比传统热固性复材结构件，贡献更多碳排削减量。

举空中巴士「明日之翼」为例，即系采取非热压炉制程创新应用，在长17m的机翼下蒙皮采用RTM制程；搭配NCC公司研制的龙门型机器人高效叠贴系统，可快速叠贴NCF（Non Crimp Fabric）碳纤维布，应用在大尺寸及多层数的机翼蒙皮或大梁结构；模具可直接升/降温，将大幅缩短制作时间，削减能源消耗。

延续长达10年（2014~2024），由空中巴士主导的飞机最大创新先进技术计画「洁净天空2（Clean Sky2）」，重点便在於研究热塑性复合材料大型零件，展示如长/宽各0.6m机翼和翼肋结构，或世界上最大热塑性复材航空机身结构长8m、直径4m；以及跨国航太大厂合作，应用厚度可变化、双曲面等创新焊接组装技术，将大幅降低机身经常性成本及飞机总重量；进而减少能耗与全生命周期排碳，并藉此设定明确目标：2024年削减20~30%CO2、氮氧化合物排放量；2050年分别削减75%CO2、90%氮氧化合物排放量。

包括在其多功能机身展示件（Multifunctional Fuselage Demo）上，演示针对长8m、直径4m机身纵梁结构点焊及连续焊；电阻焊接（Resistance）DLR曲面、机身隔框结构；感应（Induction）及传导（Connection）焊接，由GKN公司演示将长6~10m加强梁（Stringers）焊接於机身蒙皮。

未来包括电动垂直起降飞行器（eVTOL）便因为在天空运行时的排碳量趋近於零，且符合碳中和的永续目标而崛起。除了FAA已为Joby Aviation Inc.旗下的JAS4-1全电动空中计程车率先公布首件eVTOL认证标准，成为详细介绍电动垂直起降动力升力飞机的认证基础；并在今年6月取得FAA的特殊适航认证书之後，估计在2025年即可开始为达美航空乘客提供往返机场的交通服务。

另有美国Archer Aviation公司的eVTOL-Midnight飞行器，使用台泥子公司能元科技生产的21700锂三元高镍电池，短短充电10分钟，即可支持飞行20英哩。预计2024年即可取得FAA飞安和技术查核认证，并已获美国联合航空公司下单订购了200架Archer电动飞机，将用於纽约市和Newark机场间的空中交通。汉翔公司也为此提出离岛之间的运补型无人机概念设计，虽非全电动引擎，但在全机身将广泛结合热固/热塑性复合材料应用。

汉翔引进数位模型导向系统工程 建立创新材料数据库

近期汉翔也正积极投入研发，包含选用已经国外认证的成熟材料，与空巴子公司合作，期??能在2025年底顺利推出可重复性制造品展示，於2026年Q3接单量产；同时叁与经济部A+企业创新研发淬炼计画，采用台厂开发的热塑材料，再陆续完成整合资源开发关键热塑元件制程和技术，实现雏型件验证（Demonstrator），最後到了2027年接单量产。

两者时程的主要差异，便在於飞机结构须经堆积木式认证程序，在展示件初步设计规划阶段，即应展开热塑特定分析方法评估、建立完整数据库及材料规范、材料选用评估，执行成千上万件平板试片。

目前已与长兴材料工业结盟，开发聚芳????高效树脂粉末、碳纤维纱线；与塑胶中心合作，得到协助建立热塑UD/LFT试量产线；再由汉翔负责建立航太复材资料库、选用/设计航太零组件与成型/焊接技术，促使最终能通过验证，3年号已用於高教机座舱後固罩。

图4 : 随着数位模型导向系统工程成为主流，汉翔也为此建立iAIDC智慧制造云平台、并导入达梭3DEXPERIENCE平台，强调大数据的价值不仅是公司宝贵资产，也能贡献节能减碳！（摄影：陈念舜）

此外，随着如今数位模型导向系统工程成为主流，包含波音拥有的钻石模型（Diamond Model），可完成从传统V型文件导向转移至数位模型导向的系统工程，增加实时建模、虚拟实境功能，建立飞机实体和数位模型的虚拟分身（Digital Twin），用於量产制造、品质检测、後端服务。

经由全数位流程（无纸化）通信应用，取代传统系统工程不灵活、昂贵和缓慢的文件档模式，取得最隹飞机构型、制造叁数及排程，提高生产效率和弹性，实现更快且敏捷的开发流（期）程，贡献净零碳排。例如波音开发的两架原型T-7红鹰教练机，便是归功於利用虚拟环境技术、数位分身模型导向工程生产。

汉翔也为此建立iAIDC智慧制造云平台，举复材制程大数据分析为例，即可经由智慧化即时监控、预测品质，提前预警/预防故障或失效；进而掌握制程特性，缩短开发与制造时程、提升妥善率及产能。近年来也受惠於导入达梭3D体验平台，实现数位模型导向系统工程，强调大数据的价值不仅是公司宝贵资产，也能贡献节能减碳！

未来甚至於台湾正急起直追的低轨卫星产业也不缺席，庄秀美在今年达梭产业高峰会前受访时表示：「达梭与汉翔合作超过30年，除了军民航太和卫星题材以外，也曾叁与美国NASA丁肇中院士主持跨国专案，汉翔负责散热系统，未来还会与太空中心有进一步合作。」

**刊头图（source：nasa.gov）