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作者:徐業良(2015-02-07);推薦:徐業良(2015-02-07)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2015年三月號,史丹福專欄。

碳纖維材料-汽車結構輕量化設計的終極解答

對於機械設計工程師來說,「輕量化」三個字幾乎是所有機械產品設計上共同的要求。要達到輕量化,當然可以從結構設計著手,但是選擇適當的材料應該是更基本的做法。機械產品像是汽車,基本上以鋼鐵材料為主,鋼鐵材料的比重大約是7.8(也就是每立方公分7.8公克,或者說是同體積水重量的7.8倍),要達到輕量化要求通常最直接的想法是改用其他較輕的金屬材料,像是鋁合金(比重約2.7)、鈦合金(比重約4.5)、甚至鎂合金(比重約1.8)等等。

討論材料和結構特性時,有兩個重要的概念要先了解。首先是「剛性(stiffness)」,指的是結構受到外力時是否容易變形,結構剛性越高受到外力時越不容易變形;第二是「強度(strength)」,指的是結構受到外力時是否會發生破壞,結構強度越大越不容易破壞,可以承受更大的外力。前面提到鋁合金、鈦合金、鎂合金這些合金材料雖然重量比較輕,但是材料的剛性和強度也常不及鋼鐵材料,在計算「比剛性(單位結構重量所能提供的剛性)」和「比強度(單位結構重量所能提供的強度)」時,鋁合金、鈦合金、鎂合金並沒有特別的優勢,反倒是價格上比鋼鐵材料高出許多。

史丹福專欄這第一段文章,讀起來好像大學機械系「機械材料」或「機械設計」課程的課本

OK,不要睡著,這裡的目的只是要告訴您,機械產品-像是汽車,結構輕量化設計的終極解答可能不是鋁合金、鈦合金、鎂合金這些金屬材料,而是「碳纖維」。

碳纖維材料的比重不到鋼鐵材料四分之一,但是材料剛性和強度都比鋼鐵材料高出好幾倍!再加上其化學性質非常穩定、耐腐蝕性高、耐高溫、耐摩擦、導電性能好、又不容易熱漲冷縮,一連串優異的機械性質,確實是二十一世紀汽車等機械產品材料的明日之星。

猜想您一定聽過碳纖維。沒錯,碳纖維材料很早便被用來製作像是高爾夫球桿、網球拍、釣魚竿、滑雪板、自行車等等運動器材,後來也廣泛被用在軍事、太空、航空等領域,像是波音公司的B787與空中巴士(Air Bus)的「史上最大客機」A380,都大量採用了碳纖維材料。碳纖維材料另外一個很特別但十分廣泛的用途,是製造風力發電機的扇葉。想像一下,風力發電機扇葉長度動輒超過50公尺,質輕、高強度、高剛性的碳纖維材料幾乎是唯一的選擇。

噢,近幾年來碳纖維材料也逐漸普遍被用來製造汽車!

現代汽車零件、結構和車體仍然有大約90%是採用鋼鐵材料製作,另外10%是塑膠材料。如果大量採用碳纖維材料,扣除如引擎等必須採用金屬材料的元件,估計可以將汽車整體重量減輕60%以上,不更換引擎便大約可以降低30%的耗油量,也可以大幅減少二氧化碳排放。另一方面,車體重量大幅減輕的話,車廠可以搭配排氣量小、更有效率的引擎,或者改用能源效率更佳的電動馬達,節能減碳的效果更可觀。同時碳纖維製造的車體和鋼鐵材料一樣堅固、安全,事實上Formula 1方程式賽車車體早就已經是碳纖維製造了。

碳纖維到底是甚麼?不是一種纖維布料嗎?

的確,碳「纖維」是一種比人類頭髮還細的纖維,含碳量在90%以上。製造碳纖維的原料與壓克力一樣,都是石化產品「聚丙烯腈」,是一種不太值錢的人造纖維,但是經過氧化、石墨化等繁瑣製作程序後產出的碳纖維紗(一束碳纖維紗由3000根碳纖維絲束成),身價立刻暴漲數百倍。

鋼鐵等金屬材料通常用機械切削或開模鑄造的方式,製造成各類機械元件,碳纖維紗則是像織布一樣,編織成為各種固定形狀。標準規格的碳纖維管或碳纖維板材其實還普遍的,在露天拍賣之類的網站就可以買到,一公尺管材幾百元,也不算太貴,但是標準規格的碳纖維管或板材只能組裝成為簡單的結構。特殊形狀的碳纖維結構則需要一體成形的製造程序,把碳纖維紗編織在預先製作好形狀的模具上,塗上樹脂烘烤、固化處理成為固定形狀,再配合產品的裝配尺寸進行加工、補磨等等,製作成為在汽車等機械產品零件或結構。

等等,碳纖維材料這麼棒,質輕、高強度、高剛性,為什麼還沒看到在汽車或其他機械產品上普遍使用?

除了輕量化之外,機械產品設計上另外一個共同的要求是「降低成本」,碳纖維原材料和製造過程成本都很高,是目前還無法普及的重要因素。碳纖維原材料是論公斤計價的,十多年前一公斤碳纖維原材料價格要超過300元美金,這幾年因為生產技術的進步、碳纖維需求和產量大增(國內台塑集團也是重要生產廠商),每公斤價格快速下降到大約美金20元,還是鋼鐵原料成本至少20倍,不過已經開始產生很大誘因。許多產業分析預期,如果每公斤碳纖維原材料價格持續下降到美金8元、5元、甚至3元,汽車產業勢必將大量採用碳纖維材料。

除了材料成本之外,碳纖維汽車零件製程的改良,也是要能應用在量產汽車前必須克服的重點。前面敘述一體成形的碳纖維元件製造程序,一件一件打模、編織、固化、補磨,感覺起來像是烘烤一個藝術蛋糕,手工比例很高,難怪一台一體成形的碳纖維車體自行車,價格動輒要數萬元。汽車廠必須能夠把藝術蛋糕的製造程序改良成為麥當勞式有效率和速度、且至少要有相當程度自動化的生產線,碳纖維製造的汽車在價格上才能有競爭力。

除了成本考慮之外,碳纖維材料要大量應用在汽車上,另外一項障礙是材料的回收。廢棄汽車回收之後,將鋼鐵材料融化便可用來製造另一部汽車(或者其他鋼鐵材料產品)。碳纖維材料無法被融化,回收再利用也相當困難,回收後的廢棄汽車碳纖維材料如果沒有辦法被recycle製造成另一部汽車或其他產品,全世界這麼多汽車會是很嚴重的問題。

這個問題在航太工業已經有初步的解答。一架碳纖維製造的飛機除役之後,被解體成小塊碎片,區分成碳纖維、鋁合金、其他金屬、塑膠、電子材料等等類別,分別進行處理,目標是達到80~90%的再循環使用率。碳纖維材料回收再利用通常是使用「連續熱裂解法」,處理過的碳纖維材料剛性沒有降低、但是強度則下降,因此只能用來作為次階工業產品原料,像是飛機回收處理的碳纖維材料不能再用來製造飛機,汽車回收處理的碳纖維材料也不能再用來製造汽車。目前也正積極發展其他化學處理方法,期望回收處理後的碳纖維材料整體強度也不會降低。

儘管在量產汽車使用碳纖維材料還有一大段路要走,市場上已經有好幾部汽車採用部分碳纖維元件或車體。像是BMW M6Chevrolet Corvette ZR1Ford GTAudi R8等。這些車款名字聽起來都不太熟悉?噢,這些都是價格10萬美金以上的高級跑車,和我們這些開國民車的升斗小民關係不大。

比較令人振奮的是,去年(2014)年底讀到一個新聞,德國政府組織了86個不同產業公司,包括BMWAudi、空中巴士等,提出了一項很有野心的大計畫,要在2020年將碳纖維材料推向主流工業產品生產應用,大幅取代傳統金屬材料。在這個計畫中,兩家德國車廠BMWAudi訂下目標,要在六年之內將碳纖維汽車元件的生產成本降低90%,兩家車廠對這項計畫的成功都很有信心,表示他們下一代的汽車中將會看到很多碳纖維材料的應用。

BMW應該是最積極應用碳纖維材料的車廠,除了前面提到高性能雙門跑車M6之外,BMWi系列電動車i3i8都採用了碳纖維車體。BMW把其設在美國華盛頓州的碳纖維製造廠產量提升3倍,達到每年9000噸。

趨勢看來,碳纖維材料確實汽車結構輕量化設計的終極解答,也許您下一部新車就是碳纖維製造的喔!