碳纖維(Carbon Fibre)
又稱碳化纖維或石墨纖維
泛指一些以碳纖維編織
或多層複合而成的材料
由於其質地又輕又堅硬
因此它的用途很廣泛
起源
碳纖維源自50年代的冷戰時期
美國與蘇俄間為了太空競賽
需要重量輕且強度高的材料
而開始研發碳纖維
但受限於當時科技的不足
美蘇所製的碳纖維十分脆弱
根本毫無強度與韌度可言
直到1959年美國的聯合碳化物公司
(Union Carbide)以嫘縈纖維(Rayon)
成功製造具高強度之碳纖維
後來日本的進騰教授利用聚丙烯腈
(Polyacrylonitrile簡稱PAN)
成功製造具高韌度之碳纖維
1965年日本的大谷教授
發明瀝青系材料(Pitch)碳纖維
此後此三種材料即成為製造
碳纖維之三大母材(Precursor)
結構與特性
碳纖維的直徑約5至8微米
不僅具有碳材料的固有特性
又兼具紡織纖維的柔軟加工性
其重量不到鋼的1/4
強韌度更是鋼的7~9倍
密度為1750 Kg/M3
導熱能力高但傳電能力低
熱容量亦比銅低
當加熱時 碳纖維會變厚而短
雖然其天然顏色是黑色
但亦可染上不同顏色
並可加入到樹脂 金屬 混凝土
陶瓷等材料中構成複合材料
註:微米是長度單位
1公分=10000微米(µm)
1微米=1000奈米(nm)
1奈米=1000皮米(pm)
優點
碳纖維的優點為
強韌度高 熱膨脹係數小
耐疲勞性高 耐腐蝕性高
製造過程
碳纖維的四個製造過程為
纖維化 預氧化 碳化 石墨化
其間伴隨的化學變化包括
脫氫 環化 氧化及去氧等
等級
碳纖維依母材與製程及碳化條件不同
可區分為五個等級
(一)高模數纖維(HM Fiber)
(二)高強度纖維(HT Fiber)
(三)中模數纖維(IM Fiber)
(四)低模數纖維(LM Fiber)
(五)一般級(GP)
應用領域
碳纖維廣泛應用於
(一)運輸器材
如:民用客機 汽車 機車 腳踏車
(二)航太與國防
如:戰鬥機 火箭 導彈 衛星 雷達
(三)體育與休閒用品
如:賽車 高爾夫球桿 釣魚桿
網球拍 羽球拍 弓箭 遊艇
(四)生活相關
如:增強塑膠 壓力容器 建築加固
摩擦材料 鑽油平臺 醫療器材
新興能源 風力發電機
產業現狀
目前全世界每年的
碳纖維產量約4萬公頓
主要生產的廠商為
德國的西格里集團(SGL)
美國的赫氏(Hexcel)
與卓爾泰克(Zoltek)
和阿迪拉(Aldila)等三家公司
日本的東麗(全球產量最大)
與東邦和三菱等三家公司
臺灣的台塑集團(全球產量第四大)
韓國則有 泰光產業
除了碳纖維外
蜘蛛絲以其獨特的物理性質
成為最具開發潛力的新材料
目前已知的蜘蛛絲優點為
韌度高 強度高
(均比碳纖維更好)
重量極輕
(80公里長但重量僅1公克)
延展性高
(可延伸至原長度的140%不斷裂)
耐低溫性佳
(可在負40度的低溫下正常運作)
但蜘蛛絲是由
極複雜的蛋白質分子所構成
故極不易探究其分子結構
因此各國科學家正在積極研究
製作出人造天然蜘蛛絲的方法
本文參考自
沈曾民-新型碳材料
糟糕副總-特殊材料學之碳纖維
