低碳排碳纖 搶市利器

碳纖維是航太產業不可或缺的材料，以波音787爲例，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，佔整機用材約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。

濠瀅機械企業有限公司導入工研院高階碳纖維材料製作電子零件、生醫產品分檢用並聯式碳纖機械手臂。工研院／提供

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，約佔其結構重量的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。以市佔率最高的聚丙烯腈（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原絲轉化爲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），併產生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佔約50%。因此，發展低能耗、低碳排的碳纖維製程技術已成爲全球關注重點。

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，使微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燬。

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。（作者是工研院材料與化工研究所技術總監）