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

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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