第十七章 碳纖維
• 簡 史
• 1959年美國聯合碳化公司採用嫘縈為原料，製得碳纖 維，稱為“Hyfil Thornel”。
• 1962年日本碳化公司用聚丙烯腈為原料，製得低彈性係 數 ( L.M.) 碳纖維。
• 1963年英國航空研究所亦用聚丙烯腈為原料，製得高彈 性係數 ( H.M.) 碳纖維。
• 1965年日本群馬大學大谷教授以瀝青或木質素製得普通 級碳纖維。
• 1969年英國柯托斯公司和日本碳化公司用聚丙烯腈為原 料，製得高性能碳纖維使其商業化。
• 1972年美國赫卡爾絲大量生產聚丙烯腈系的碳纖維，簡 稱PANCF。
• 1985年我國台灣塑膠公司引進聚丙烯腈碳化技術生產碳 纖維。
• 1986年南韓鋼鐵化學公司採用聚丙烯腈為原料生產碳纖 維。
•1.碳纖維的種類
•依據製造碳纖維的原料可以分為下列四 類：
•Rayon系(纖維素纖維系 )
•Lignin系(纖維素纖維系 )
•Polyacrylonitrile系(聚丙烯腈系)
•Pitch系(瀝青系)
• 按特性區分為：
• 普通碳纖維：抗張強力在120Kg/mm2以 下及彈性率在10000 Kg/mm2以下者。
• 高強度高彈性纖維：抗張強力在
150Kg/mm2以上及彈性率在17000 Kg/mm2以上者。
• 依溫度處理的不同來分類：
• 耐炎質：加熱處理溫度為
200℃~350℃，做電氣絕緣體。
• 碳素質：加熱處理溫度為
500℃~1500℃，做電氣傳導性材料用。
• 石墨質：加熱處理溫度為2000℃以上，
耐熱性及電氣傳導性增加，具有自 滑性。
• 按碳纖維製品的形狀可分為：
• 棉狀短纖維
• 恒長絲狀長纖維
• 纖維束
• 交織物
• 氈毯
• 編織物
•2.碳纖維的製造工程
•1.纖維素纖維系(Cellulose)碳纖維的製造
•在無氧狀態下的不活性氣體(inert gas)中 加熱處理，則極易得到碳纖維。
•2.聚丙烯腈纖維系碳纖維的製造
•纖維在不活性的氣體中加熱，所得之碳纖 維性質不佳，故必須在空氣中預熱，使纖 維起架橋(交鏈)作用而不軟化，然後再將纖 維置於不活性氣體中加熱，則可製得特性 良好的碳纖維。
• 3.瀝青系碳纖維的製造
• 原油經900℃以上的高溫提煉後所剩 餘的殘渣中，含有95wt﹪的碳質，以電 解法除去其中的硫酸，再經水洗後可得純 度良好的瀝青(pitch)。然後將瀝青熔融 紡絲後，再經碳化工程，而製得碳化率達 85~95wt%之碳纖維。
•4.碳纖維的特性
• 一般碳纖維分為耐熱纖維(200~300℃)、
碳纖維(800℃以上)及石墨纖維
(2500~3000℃)。碳纖維特性如下：
•(1)密度小，重量輕。
•(2)彈性率高，比彈性率(Specific modulus)亦 高。
•(3)抗張強度大，比強度(Specific strength)亦 大。
•(4)由於單紗的細緻(fineness)，恒長絲狀纖維紗 的尺寸均齊，故纖維的加工效用(Processability) 殊佳。
•(5)傳導性(Conductivity)優。
•(6)耐熱性(heat-resistance)卓越，除了 在氧化空氣中以外，能耐3000℃的高溫。
•(7)耐化學藥品腐蝕性(chemical- resistance)強。
•(8)尺寸安定性(dimensional stability)良 好。
•(9)不致發生潛變變形(creep
deformation)，具有高的淨疲勞強度 (static fatigue strength) 。
•(10)熱膨脹係數小，熱衝擊性強。
•(11)熱傳導率大。
•(12)石墨製品富有自己潤滑性。
•(13)帶有電氣傳導性，因處理溫度而異。
•(14)可撓性大。
•(15)表面積大。
•(16)容易發生活性化。
•(17)所含不純物極少，不會污染與其接觸 之液態氣體，也不沾污熔融的金屬。
•(18)對電波性能情形為：碳素質能吸收電 波，而石墨質則會反射電波。
•(19)彈性率(modulus)隨著處理溫度的昇 高而遞增；抗張強度則起初隨處理溫度的 昇高而漸增，在1600℃附近則到達最高 峰，其後又逐漸下降。
•5.碳纖維的特性及應用
• 碳纖維及其複材之用途：
• 由於碳纖維素具有質輕、高強度、高彈性 係數、耐高溫、耐化學藥品、尺寸安定性 良好、耐衝擊等等優異特性，故為各種工 業廣泛採用：
•航空太空方面：
•交通運輸方面：
•運動休閒器材方面：
•其他工業方面：
•結論
• 目前大部份生產二種碳纖維：
•以聚丙烯腈為基料者，則多製成高性能碳 纖維。
•以瀝青為基料者，則多製成普通用碳纖 維。
