碳纖維強化聚合物（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）這種複合材料有質輕強固特性，是航太領域、頂級賽車愛用的材料之一，然而製程繁複耗時昂貴，因此應用在大眾量產商品的可能性相當低。日產（Nissan）想改變這個情況，9 月發表碳纖維強化聚合物的生產新技術，開發時間可望減半，模造時間可望減少八成，開啟碳纖維材料進入尋常百姓家門之路。
碳纖維顧名思義就是純由碳構成的微小纖維，單一一根碳纖維直徑約 5~8 微米（㎛，萬分之一公分），從原子規模角度來看，碳纖維是一層層六邊形碳原子排列（相當於石墨烯薄片）堆疊起來，結構讓碳纖維具超高強度重量卻相當輕。一般會將幾千條基本的碳纖維組成一根碳纖維束。
碳纖維雖然本身有超高強度特性，對和纖維束同方向有很強抗拉力，若垂直施力，就像一條線一樣會歪曲，為了解決這問題，碳纖維束通常必須編起來或做成複合材料，例如用碳纖維束以各種不同方向排列，然後用環氧樹脂黏合，固化後定型，這樣碳纖維在硬化的樹脂基質裡就不會歪曲移動，成為強固質輕的堅硬材料，這就是碳纖維強化聚合物，廣泛應用於航太、汽車、土木工程、運動器材等領域。
但碳纖維強化聚合物的缺點是，製作往往需要層層疊上碳纖維、塗上環氧樹脂黏合，製品形狀必須層層堆塑，最終在模具裡緊緊夾住等待固化，相當耗費人工與時間，使碳纖維製品成本居高不下，產能與良率也不容易提升。
若要將碳纖維強化聚合物引進大眾量產商品，製造流程一定要有突破性改變，Nissan 希望朝這方向努力。若能以質輕的碳纖維強化聚合物打造汽車，有助讓汽車因上層結構減輕而重心更低，行駛更穩定，減少車重也能提升汽車的油耗效率，並讓加速更快，剎車也更快，操控更靈敏。唯一的問題是，要怎麼改革碳纖維強化聚合物的製程？
Nissan 的新做法是，不像過去一層層疊上黏合，而是先把碳纖維編織成特定排列，留有足夠孔隙讓環氧樹脂能用灌注方式注滿整個結構，如此一來，碳纖維強化聚合物的製造，就從過去層層疊合手工藝，轉變為相當於某種形式的「鑄造」：將上述碳纖維結構先填入空模的間隙，再灌入環氧樹脂，待環氧樹脂固化後，就直接成為所需形狀的碳纖維強化聚合物零組件。
要達成這種製造方式，最重要的是碳纖維結構的通透性，樹脂如何流動，能否順利流到結構的每部分，而不會留下氣泡，Nissan 工程師發展模擬樹脂流動開發工具，並利用透明模具，以及內建溫度感測器，實地測試灌注樹脂時直接觀察樹脂的流動狀況，模擬測試成功，證明此製造方式確實可以用更短的開發與製造時間打造高品質的零組件。
Nissan 新製程技術發表還在實驗階段，不過創新鑄造式思維也為碳纖維強化聚合物的未來開啟許多可能性。若能促進碳纖維強化聚合物終有一天成為量產製品材料，就真是全人類之福了。
（首圖來源：Nissan）
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September 08, 2020 at 07:05AM
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