車輛中心 環能與車電工程處  毛慶平

碳纖維(Carbon Fiber, CF)具有質量輕、高強度等優點，且常被添加於各式基材(Matrix)上，作為補強材(Reinforcement)之運用，進而形成具有優異綜合性能之碳纖維複合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)。近年來，因應國際間節能減碳之趨勢，碳纖維在工業界之運用逐年成長，依據歐洲高性能纖維複合材料研究機構CCeV之研究指出，碳纖維複材之需求量從2010年起，每年約有12.24%的成長(如圖1所示)，預估在2023年將達到19.7萬噸。

圖1. 2010-2023年碳纖維全球需求發展
資料來源：CCeV

隨著全球汽車銷量的逐步成長，在2017年全球汽車銷售總量已達9,680萬輛高峰。然而，隨著全球汽車總量的增長，相對的整體燃油需求及排放也隨之增加，以致油耗的議題也隨之備受重視。以美國最新法規為例，至2025年平均燃油經濟性標準必須達到54.5英里/加侖，遠超過目前35.5英里/加侖的要求。有鑑於此，碳纖維複材已陸續被國際車廠考慮應用於車輛零組件中。

碳纖維複材屬非等向性材料(Anisotropic Material)，其力學行為較為複雜，與一般等向性金屬材料不同，故在車輛零組件設計開發階段，導入電腦模擬工程分析技術，進而評估其結構力學特性確有其必要性。以汽車引擎蓋內板(Hood Inner)為例，研發工程師可針對其所設計之引擎蓋內板外形進行材料參數、疊層方式及厚度…等設定後，再依將探討之結構受力工況進行邊界條件與負載條件設定，進而模擬分析引擎蓋內板結構各疊層之應力分佈，如圖2所示。

圖2. 引擎蓋內板應力分佈示意圖(第一層)

爾後，可再針對各疊層之應力分佈計算結果，進一步對纖維張力 (Tensile Fiber Mode)、纖維壓力 (Compressive Fiber Mode)、基材張力 (Tensile Matrix Mode)、基材壓力 (Compressive Matrix Mode)…等破壞模式評估其破壞可能性，如圖3所示。倘若模擬分析過程發現其結構強度有不足之情況，將可適時地針對碳纖維複材疊層進行改善設計，以期達到產品設計目標。

圖3. 引擎蓋內板結構破壞判定示意圖(基材壓力破壞)

在碳纖維複材產品之結構設計完成後，則將進行成型製造。一般來說，車用碳纖維複材產品的成型製造工法，大致可分為熱壓成型(Thermoforming)、樹脂轉注成型(Resin Transfer Molding, RTM)及壓力釜成型(Autoclave)三大類。然而，過去國內業者往往是透過經驗進行製程參數設定，並藉由多次的試誤(Trial & Error)調整後方能找出適合之成型製程條件，其對於產品之開發時間及成本皆是不小的負擔。

有鑑於此，倘若產品設計開發初期即導入碳纖維複材成型製程模擬分析技術，預期將可避免因製程條件不佳而造成產品不良率較高的情況發生。以引擎蓋內板RTM成型為例，研發工程師可針對纖維排向、材料參數、樹脂注口位置、逃氣口位置…等進行設定後，進而模擬分析樹脂在充填過程的流動波前狀態(如圖4所示)，以進而評估樹脂是否可於充填過程中有效地流動並完成灌注。此外，亦可對於樹脂充填後所產生之縫合線(或包封)現象，透過模擬分析掌握，如圖5所示。

圖4. RTM成型模擬之流動波前圖

圖5. RTM成型模擬之縫合線位置示意圖

車輛中心(ARTC)藉由與工研院智機中心之經濟部科技專案的合作，已完成碳纖維複材之結構強度與製造成型模擬分析技術建立，日後可對於國內碳纖維複材產品業者提供技術輔導與產業服務。倘若需要進一步瞭解相關內容細節，歡迎洽詢車輛中心/環能與車電工程處/工程分析中心/毛慶平資深專員。電話：04-7811222分機3310 / E-mail：maocp@artc.org.tw。