材料期末報告 ─碳纖維─ 4A340003許書珮 4A340011吳峻誠 4A340096蔡孟潔

碳纖維 碳纖維，又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層複合而成的材料。因為它又輕 又堅硬，所以它的用途很廣泛。 碳纖維，又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層複合而成的材料。因為它又輕 又堅硬，所以它的用途很廣泛。 近年來碳纖維更是廣泛被使用於大型飛機，例如空中巴士的A350與A380，波音787均 利用碳纖維複合材料來減輕耗油量。另外大型風力發電機的葉片，賽車、汽機車與腳踏車 的車身均為碳纖維複合材料需求量增加的重要因素。 纖維其含碳量在99%以上者稱為石墨纖維，若在93%-95%之間，則稱為碳纖維。一般 是在高溫下，以熱分解的方式將預形體(precursor)碳化成碳纖維。預形體的材質有嫘縈 (rayon)、聚丙烯睛(PAN)、及瀝青(pitch)，而PAN系列碳纖維為目前商業化的主流。

何謂碳纖維 碳纖維之崛起源自於50年代東西兩大集團之首–美國、蘇俄為了太空競賽，需要一種 質輕而機械強度高的材料，碳纖維因運而生。 碳纖維之崛起源自於50年代東西兩大集團之首–美國、蘇俄為了太空競賽，需要一種 質輕而機械強度高的材料，碳纖維因運而生。 碳纖維並非那時才開發出來，據文獻記載早在1879年發明大王愛迪生為了尋找一種耐 高溫且可通電之燈絲，他利用竹子之纖維將它燒成碳纖維模樣作為燈絲之用。但他所製之 碳纖維太脆，毫無強度可言，雖可通電發光之用。離真正實用之地步尚有一段距離，一旦 鎢絲被開發成功，以碳纖維作為燈絲之用途旋即被廢。碳纖維成功地被製成補強材料，係 在1959年Union Carbide公司以嫘縈纖維成功地燒成具高強度之碳纖維。隨後大阪研究所進 騰教授利用聚丙烯腈燒成碳纖維，1965年日本大谷杉郎發明瀝青系碳纖維。此後碳纖維之 發展即以聚丙烯腈PAN、瀝青Pitch及嫘縈Rayon等為發展碳纖維之三大母材（precursor）。

嫘縈(rayon) 最早用來製作碳纖維的原料，英文Rayon或Viscose，又譯人造絲，是一種人工製造的 纖維。由天然的植物纖維素加工製造而成。容易染色，質地輕柔，光滑，涼爽，吸收性好， 但不隔熱，適用於高溫高濕度的環境，缺點是不耐久（特別是濕的時候）。二十世紀中葉 隨著滌綸的大量生產應用，人工纖維開始走向衰落。

嫘縈系碳纖維　　 嫘縈纖維素纖維加熱處理時不會熔融，若在無氧狀態下的不活性氣體（Inert Gas）中 加熱處理，則極易取得碳纖維。將嫘縈纖維紗布或氈毯等原料，洗淨油劑或雜質後，在不 活性氣體（Inert Gas）N2或HCl加熱處理，由室溫至200℃可急熱昇溫，此時開始脫水；200 ～240（260）℃宜緩慢昇溫（12小時以上），此時脫水（環）形成C＝0，C＝C鍵；260～ 420℃仍應緩徐昇溫（4～12小時），為熱分解重要階段，于280℃時環間之結合力開始切 斷，纖維結晶構造消失，放出H2O、Tar、CO與CO2；400℃時為熱分解反應最快，容易形 成4C之自由離子或4環C。420～1000℃昇溫約2小時以上，開始碳化作業，于700℃時開始 出現6環C石墨狀平面芳香族物質；1000～1500℃為碳化工程，昇溫較快，即使1000～ 3000℃亦只須約0.5小時以上，此時延伸因素重於昇溫條件。

聚丙烯腈(PAN) 成本比嫘縈絲低，製作的碳纖維在抗拉強度可達 2.4GPa~3.1 GPa，彈性率  0.2~0.5 GPa。 是由單體的丙烯腈經過自由基聚合反應而得到高分子材料。聚丙烯腈為白色粉末狀，密度 為1.14-1.15g/cm。常壓下，220-300℃時會軟化分解。純聚丙烯腈性脆硬， 染色性很差。 聚丙烯腈纖維引入第二單體、第三單體後，會改善染色性能。 主要用於製造合成纖維，如腈綸。

聚丙烯腈系碳纖維 聚丙烯腈起始物（Precursor）之聚合物須具備高分子量、適當的分子量分佈、最小的分子 及纖維缺陷與適當之纖維直徑（0.7～5 denier），並期能得到高強度、高彈性率與高碳纖收取 率。衣著用等PAN纖維須要有較佳之柔軟性，故會參入2～5％以上之共聚物，如含酸基單體之 Acrylic Acid、Methacrylic Acid與Itaconic Acid等，且于安定化處理時易於延伸，降低氧化起始溫 度，提高纖維順向性與強度。亦可于後紡絲階段作表面改質處理，如⑴表面塗佈其他樹脂、潤 滑油、乳化劑……，添加醋酸、Caboxylic Acid、DMF……等可塑劑或KMnO4等觸媒。將聚丙烯腈 聚合物紡製成纖維，作為碳纖之先驅物（Precursor），于空氣中加熱10～20小時，溫度為200 ～300℃，稱之為安定化（耐炎化）加工，其主要反應為腈基聚合與脂肪族碳素之氧化，故得 到氧化纖維。然後于300～400℃氮氣中加熱，進行前碳化工程，此時直鏈狀聚合物切斷反應與 架橋反應開始；接著于400～900℃氮氣中繼續加熱，其主要反應為脫除HCN，梯狀環化數增加， 此時有NH3、CH4、H2與高分子分解物產生。爾後于900（1000）～1500℃氮氣中進行碳化工程， 昇溫速度為50～100℃／小時，脫氮使環化數增大，並生成亂層結構，形成高強力碳纖維。最 後，仍于不活性氣體中加熱至2300～3000℃，昇溫速度為1000℃／小時以上，使之石墨結晶化， 稱之為石墨化工程，其產品為高彈性率碳纖維。　　PAN系碳纖維製造時之化學反應，其片狀 石墨網面重疊之微結晶呈纖維軸向配列，此格子狀石墨網面即為造成較一般線狀高分子鏈有機 纖維有較高強力與彈性率之原因。

瀝青(pitch) 是高黏度有機液體的一種，表面呈黑色，可溶於二硫化碳。它們多會以柏油或焦油的 形態存在，各層按照不同的厚度和所處位置，為緊密的結構主體提供不同的承載力。在化 學上，瀝青混凝土是一種具有熱後可塑性的惰性材料。若將等向性分子瀝青直接做成碳纖 維，因分子不具方向性，所以機械性質低，用途有限。如果在 400℃~450℃ 的惰性氣體中 長期處理，可將瀝青轉換成液晶瀝青(liquid crystal)的形態，因具有優勢的分子順向排列， 可製成高性能的碳纖維。

瀝青系碳纖維 原油經900℃以上之高溫提煉後的殘渣中，約含有95wt％之碳質，若以電解法去除其 中之硫酸，再經水洗後可得純度極佳之瀝青（Pitch）。亦有利用石碳系（煤）、荼 （Napthalene）等經超強酸觸媒、溶劑下反應生成瀝青。然後將瀝青熔融紡絲後，復經不 融化、碳化與石墨化工程，最後得到碳化率85～95wt％之碳纖維。　　瀝青系碳纖維之價 格低廉，來源豐富，不虞匱乏，但先驅物製造困難，紡絲裝置特殊，碳化前亦需經不融化 處理，此為其發展瓶頸。為泛用性與高性能瀝青系碳纖維之代表製造流程，其中改質處理 為重要工程，尤其是高性能瀝青碳纖維（HPCF）與泛用性瀝青碳纖維（GPCF）之程序不 同，其原料Pitch開始即須經過濾過、蒸餾、熱處理、水添化處理與溶劑分離等高度精密技 術，亦為關鍵技術。紡調良好且具高性能之條件為 : 1. 方性高（90％以上） 2. 分子量分佈狹窄，對稱良好 3. 紡紗溫度300～350℃之熱安定性佳，保有適當之紡紗黏度 4. 不含灰份（Ash）與膠狀（Gel）等成份

結構與特性 每一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米，幾乎全部由碳構 成。最早的一代（如T300，HTA和AS4）有16-22微米直徑。[1]後來纖維（如IM6或IM600） 的直徑大約有5微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六角型排列的碳 原子所構成。兩者差別在於層與層之間的連結。石墨是晶體結構，它的層間連結鬆散，而 碳纖維不是晶體結構，層間連結是不規則的。這樣便防止滑移增強物質強度。一般碳纖維 的密度為1750 kg/m3。導熱能力高但傳電能力低，碳纖維的比熱容量亦比銅低。當加熱的 時候，碳纖維會變厚而短。雖然碳纖維的天然顏色是黑色，但可以把它染上不同的顏色。

碳纖維之等級 〈1〉高模數纖維（HM Fiber）＞500 GPa 〈2〉高強度纖維（HT Fiber）＞3 GPa 〈3〉中模數纖維（IM Fiber） 強度 100~200 MPa 、模數 100~500 GPa 〈4〉低模數纖維（LM Fiber）模數100~200 GPa 〈5〉一般級（GP） 模數 ＜100 GPa、強度 ＜1 GPa 全世界之碳纖維約85％來自PAN系，而15％來自於瀝青系及嫘縈系，在生產高強度纖維時， 其母材主要來自於聚丙烯腈PAN系，而生產高模數碳纖維時則以瀝青系為主。

碳纖維製品、應用 製品 : 市面上的碳纖維製品常被稱做「卡夢」，其實卡夢一詞是日文的音譯，它的原文是 「carbon」，泛指以碳纖維編織或多層複合而成的材料。碳纖維是一種重量比鋁輕、強度 比鋼大、細度卻比人類頭髮還小的纖維，其含碳量在90％以上。相同體積下，碳纖維的重 量僅是鐵的四分之一，甚至比 鋁合金還輕，強度卻大於鋼的四倍。這也是為什麼現在越來 越多需要高強度輕量化的商品都趨向使用碳 纖維的原因，碳纖維也成為輕量化的代名詞。 應用 : 用碳纖維製造的增強塑料質地強而輕，耐高溫、防輻射、耐水、耐腐蝕，是製造飛 行器、兵器及耐腐蝕設備等的優良材料。近年來碳纖維更是廣泛被使用於大型飛機，甚至 還延伸到一般産業用品、造型複合物、壓力容器、土木建築、汽車、船舶、能源… 在體育 用品方面除了釣魚竿、高爾夫杆、球拍之外，還廣泛應用於滑雪板、雪船、滑雪杆、棒球 棒、公路賽以及船舶類。

結語 由於碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線膨脹係數小等特點，所以 可以勘稱“新材料之王”，它被應用在生活中，是很好的材料，將來只要再降低它的成本以 及縮短加工週期等,應該可以廣泛的運用，而不是侷限於飛機製造等軍工領域、風力發電 ​​ 葉片等工業領域、GOLF、球棒等體育休閒領域。 優點 缺點 高溫形狀穩定 平行於增強方向具有高強度和高一剛度 在高溫條件下的強度和剛度可保一持不變 抗熱應力、熱衝擊 抗裂紋傳播 重量輕 抗輻射 空洞含量高 孔分布不均勻 纖維與基材結合差 抗氧化性能差 成本高 製造加工週期長 設計方法複雜