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車輛輕量化之關鍵技術發展
林姿伶 .2019/02/12
摘要 車輛輕量化的技術正在迅速發展,該技術係將輕質材料應用於車輛的生產製造,藉以減輕車體重量,可提高車輛動力、減少燃料消耗、降低排氣污染。其中,該材料包含鎂合金、鋁合金、輕金屬鈹、纖維素奈米纖維材料、碳纖維、石墨烯、生物基固化劑的聚氨酯、陶瓷材料。以下將論述應用於車輛的輕質材料與目前開發實例。

一、鎂合金材料
鎂的質量比鋼輕75%,比鋁輕30%以上,並且具有易成形、高延展性和柔韌性之優點;然而,在使用鎂合金時需要添加昂貴的鏑、鐠和鐿等稀土元素,以達到所需要的強度。美國的西北太平洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory;PNNL)研發了剪切輔助加工及擠壓技術ShAPE,該技術不需要添加稀土元素於鎂合金中,能降低成本、提升其機械特性,適用於車輛元件的生產製造。另外,英國的Magnesium Elektron公司開發出高強度鎂合金,可應用於汽車產業中的發動機和渦輪機元件、航太產業的機輪元件,具可鑄性、可加工性、耐高溫、抗腐蝕性。

二、鋁合金材料
鋁質量為鋼的三分之一,具高強度、高衝擊能量吸收度、高延展性,可廣泛應用於車輛動力系統中的發動機和變速箱元件製造。目前,特斯拉(Tesla)汽車公司已使用了大量的鋁合金來製作車體結構,為該領域的市場領導者。

三、輕金屬鈹材料
鈹的質量極輕,為可回收金屬,不會污染環境,並且具有良好的導熱性、高反射率、熱膨脹係數低、抗腐蝕性之優點。美國的Materion公司開發出輕金屬鈹及其衍生物之材料,該材料可應用於車輛元件的生產製造,以及衛星、成像技術、X射線、軍用機等用途。Frost & Sullivan認為在未來幾年內,該技術有機會滲透到歐洲和拉丁美洲市場。

四、纖維素奈米纖維材料
日本京都大學開發出可應用於汽車產業的纖維素奈米纖維(cellulose nanofiber;CNF)材料,其重量比鋼輕五倍、強度卻大五倍。該材料可完全替代鋼,大量地生產製造車輛的外部結構、發動機元件和渦輪機元件,亦可應用於航太產業的機身與機身元件製造。另外,京都大學與Denso、Toyota、DaikyoNishikawa公司合作,測試該材料在汽車元件製造的應用與可行性,成本可減少50%。

五、碳纖維塑料
奧地利的Borealis AG公司開發出碳纖維增強塑料,使用碳纖維取代玻璃纖維,塑料為聚丙烯。該材料的質量非常輕、耐高溫,具有優異的流動性、耐衝擊強度和疲勞強度,可提供更好的剛性和機械強度,並應用於汽車產業。

六、石墨烯材料
石墨烯具優異的強度、超薄的厚薄度、導熱性和導電性。英國的AGM公司與加拿大的Magna公司、英國的SHD公司合作開發石墨烯與環氧樹脂的石墨烯複合材料MTC9810,相較於傳統的複合材料,該材料具優異的斷裂韌性、層間剪切強度、抗壓強度(compressive strength)等機械特性。該團隊計畫利用其特性,開發新產品以擴展其在汽車產業的應用性。

七、柔性陶瓷材料
英國的Zircotec公司開發出柔性的陶瓷隔熱塗料,其重量輕、厚度薄、易彎曲,適用於各種形狀的發動機元件,藉以降低元件的表面氧化和腐蝕,增進發動機的耐用性。此外,該材料亦具高耐熱性,可在500℃時提供保護作用,不會排放有害物質。

八、生物基固化劑的聚氨酯材料
德國的Covestro公司開發出生物基固化劑的聚氨酯塗料,其70%的碳含量來自於生物基,為環保材料,具可快速固化、強接著力、耐化性、優異的機械應力之特性。該材料可應用於車輛、船舶、航空載具的外部結構。Frost & Sullivan認為該材料在亞洲市場有機會增加。
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資料來源 Frost & Sullivan