因應快速交機與淨零壓力 航空業創新 新世代材料當紅

Fraunhofer IFAM使用黃色六足機器人固定熱塑性機身殼體MFFD在組裝平臺上，並進行高精度殼體形狀調整和雷射銲接。Fraunhofer IFAM／提供

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爲291億美元，預計到2029年將達到521億美元，年複合成長率爲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復材，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。而熱塑性復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計劃開發出的「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爲長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復材創新獎，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，固化成型具縱梁的飛機蒙皮。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。

爲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佈局熱塑性航太復材相關技術。「工研院材化所」與「塑膠中心」分別針對熱塑性復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復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復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。

（作者是工研院產業科技國際策略發展所組長）