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碳纖維的簡介
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。
碳纖維布料
結構與特性
碳纖維與人類頭髮的比較
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。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。
碳纖維的源起
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。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。
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（polyacrylonitrile 簡稱PAN）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? PAN、瀝青Pitch 及嫘縈Rayon 等為發展碳纖維之三大母材（precursor）。
用來製造碳纖維之母材，發展至今不下百種，但在製程之難易、成本、含碳量等考量下，真正能符 合實用者亦僅聚丙烯? ，瀝青與嫘縈三種而已。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PAN 系，而生產高模數碳纖維時則以瀝青系為主。
PAN系碳纖維之製造方法
聚丙烯是製造碳纖維的主要原料，全世界生產碳纖維有百分之八、九十來自於聚丙烯，故聚丙烯?之製造、抽絲及後續燒結過程－環化、碳化及石墨化等相當重要。
聚丙烯母材纖維之穩定化:
將 聚丙烯母材纖維燒成高強度之碳纖維，中間過程必須經過一個重要的步驟即穩定化（stabilization），這處理過程之適當性影響後續燒結最終成品之 碳纖維機械性質甚巨，故不得不慎重。穩定化過程係聚丙烯母材纖維在氧氣環境下；低溫狀況施以一定之張力做熱處理，這時聚丙烯纖維之化學結構發生變化，由原 線性分子結構轉變為環狀之分子結構，其熔點亦隨著分子結構之不同而逐漸升高。穩定化過程通常是聚丙烯纖維在氧化氣流下空氣溫度範圍從180℃到300℃， 控制加熱速度，一般為1~2℃/min，穩定化過程主要有三種反應：
（1）環化反應（Cyclization）。
（2）脫氫反應（Dehydrogenation）。
（3）氧化反應。
聚 丙烯纖維進行穩定化過程中，纖維顏色一直在改變，由黃色、棕色、以至於最後之黑色。這種顏色變化象徵纖維內分子結構之改變，由聚烯（Polyene）結構 到形成碳氮雙鍵（C=N）縮環之結構，即所謂梯形結構。這些反應過程中皆為放熱反應，脫氫及環化反應之放熱量分別為-242.67KJ/mole及 -58KJ/mole。
聚丙烯母材纖維在空氣中加熱，促使脫氫反應而造成雙鍵之形成，最後生成穩定之梯形分子結構。這穩定化過程主要受（1）在纖 維上張力之變化（2）熱處理溫度（3）處理中之媒介（4）前穩定化處理等之影響。一般而言，在穩定化過程中，聚丙烯?之附屬氰基群，首先交連成梯形高分子 結構，此過程之起始反應是藉由少量活性之共聚合物像2-亞甲基丁二酸（Itaconic acid）來催化。在穩定化過程中，氧分子亦參與梯形高分子反應，因而出現幾個可能之梯形分子結構。聚丙烯纖維在經過環化反應及穩定化後，導致纖維大量之 收縮，由於在長軸方向受到機械拉力而阻止收縮發生，但纖維之直徑因而減小。
聚丙烯母材纖維之碳化:
聚丙烯纖維在碳化過程中，已穩定化母材纖維碳纖維，其熱處理係在鈍氣及很小張力，溫度高至1500℃之下進行的。在這熱處理過程中所有的元素，除了碳元素外，幾乎以副產物之形式被消去而形成像石墨之結構。
在 碳化過程中，加熱速度在兩個區域內控制甚嚴苛，第一個區域溫度高至600℃，加熱速度要很低（小於5℃/min），質傳（Mass Transfer）要緩慢，因在高的加熱速度下，快速之質傳會造成纖維因細孔之形成，使得表面不規則性。這區域控制嚴格之另一原因是此區域進行大部分化學 反應及揮發性產物之蒸發，水氣蒸發是因梯形高分子鏈含氧群進行交鏈反應之故。第二個區域，溫度介於600℃到1500℃之間，使用較大的加熱速度係為了要 減少纖維因放熱反應或副產物之揮發造成可能之傷害。這些反應在600℃下大部分已完成，在這加熱區域包含N2、HCN及H2等氣體產生，H2及HCN係高 分子鏈分子間交連反應之產物，氫氣之釋出係去氫反應之結果。
已穩定化分子鏈分子拉伸結構，聚丙烯?纖維之纖維束在鈍氣中進行熱分解，非碳元素以揮 發物（例如H2O、HCN、NH3、CO、CO2、NH3等）被除去而得到單純碳纖維，其產率大概是原來聚丙烯母材纖維之50％。碳化過程初期加熱速度相 當慢，故揮發物之釋出並不損壞到纖維，大部分之揮發物在低於1000℃下皆已逃掉，僅剩少數氮元素（~6％）殘留著。
在碳化反應初期，溫度在 400~500℃範圍，存在於已氧化聚丙烯?內之氫氧基開始進行交連縮合反應，它能幫助已環化部分之重組與接合，此交連反應可固定高分子之結構，剩下之線 性結構部分一則變成環化或進行鏈分裂而釋出氣體產物。這些已環化結構進行去氫反應，並在側面方向開始連接，產生側面方向由氮原子鍵結而成之三個六邊形組成 之類石墨結構。
已氧化之聚丙烯纖維在高產率下，製得高功能之碳纖維，原因是此時之聚丙烯?已具芳香族之特性，此芳香族之特性可阻礙主鍵之碳鏈在擴 展時分離。聚丙烯纖維在鈍氣下進行穩定化，在低溫時芳香族化並不容易發生，因此導致在高溫時使得碳鏈分離而造成碳纖維低的產率及較差之機械強度。碳纖維之 產能可藉已氧化之聚丙烯?纖維，在HCl氣體下進行碳化反應，或利用在乾淨抽絲房紡絲所得之聚丙烯纖維來提昇。碳化反應在HCl氣體下進行，氮元素以 NH3之副產物之消去反應，而減少HCN之量，它同時有一明顯的去氫作用及氧元素以水蒸氣之釋出之消去反應，碳之產率因而增加。在乾淨空氣中進行聚丙烯纖 維之紡絲，使得纖維表面缺陷減少，因而後續碳化所得之碳纖維有較好的機械性質。
聚丙烯母材纖維之石墨化:
聚丙烯?纖維經碳化反應後已具有 小微晶之結構，增加微晶之尺寸使得碳纖維結晶更完整，但微晶之規則排列則需藉助於纖維在1500℃以上之熱處理。此熱處理過程係在張力鈍氣下加熱碳纖維， 溫度控制在2000－2500℃，甚至高至3000℃。不用氮氣作為鈍氣媒介之原因，係超過2000℃以上氮會變成活性分子且與碳纖維反應成為氰基（ ）。當碳纖維之溫度在1800－3000℃時，利用電流經過碳纖維來提高結晶之完美性。碳纖維在熱處理期間，利用某些金屬氧化物像氧化鉻（CrO）、二氧 化錳（MnO2）、氧化釩（VO）和氧化鉬（MoO）當做催化劑來提昇微晶之成長。
碳纖維之溴化反應在強度上產生明顯之提昇作用，硼蒸氣之加入可 增加石墨纖維之勁度，我們相信硼原子不僅可增加石墨纖維之結晶度，而石墨纖維內其作用像一個固態溶液硬化元素，因而阻礙微晶之剪切變形而保持模數與強度之 值，碳纖維之楊氏模數已被證實直接與最後熱處理溫度（HTT）有關。
簡單的碳纖維製造方法
從一個稱為聚丙烯(polyacrylonitrile)的聚合物開始，我們把它加熱。這個時候我們不是很確定結果會是什麼，但是我們知道聚丙烯?加熱之後的結果會變成碳纖維。氰基的熱量會導致重複單位，形成循環。
接著，我們再次加熱。這一次，我們把溫度提高，碳原子會把氫踢掉，並成為芳香族化合物(aromatic)。這是一個系列的聚合物熔融?啶環。
再次加熱。慢烤聚合物在大約400~600度的範圍，會使他們這樣環繞在一起。
這時排出氫氣，並給了我們一個像帶子一樣的稠環聚合物。這時還沒有結束。接下來，我們加快熱的速度，從 600一路到1300℃。當發生這種情況，我們新形成的帶狀物將自己聯合起來，形成更廣泛的帶狀。
當發生這種情況，我們排出氮氣。正如你可以看到我們得到的聚合物，它氮原子沿其邊緣，而這些新的寬帶可以合併，以形成更廣泛的緞帶。在這種情況下，越來越多的氮被排出，留給我們的緞帶幾乎是純碳石墨形式。這就是碳纖維。
碳纖維的結構與特性
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。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。
碳纖維與人類頭髮的比較
碳纖維的等級
‧碳纖維由於母材、製程及碳化條件不同，故所製成之碳纖維之機械強度及其他物性化性有很大的不同，目前依機械強度與模數之高低，而區分為五種不同等級之碳纖維。
‧〈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
碳纖維之應用
碳纖維的工業應用範圍非常廣泛，且在這一領域中碳纖維正在取代金屬、混凝土材料等。作為材料，它滿足對環境、安全和節能的要求，所以預計在這一領域中碳纖維的需求量將會繼續增長。
1.運動用
* 高爾夫球棒
* 釣魚杆
* 網球拍
2.航太用
* 波音飛機
* 空中客車飛機
* 衛星
在 建築工程和結構領域中,在抗震修復和增強措施中採用碳纖維是一重大突破,並迅速地在工業領域中擴展。作為加強筋取代材料，對碳纖維的需求預計將來會增加。 這項再加上壓力容器，是最有前途的應用之一。壓力容器主要用於汽車壓縮天然氣（CNG）缸，和消防用整裝呼吸器（SCBA）。CNG 缸在美國和歐洲用量激增，而日本和其他亞洲國家，正顯示出對這一應用有著增長的興趣。
3.工業用
* 建築工程和結構:橋墩增強建築材料
* 壓力容器:CNG 罐、壓縮天然氣罐、 SCBA 整裝呼吸器
* 大面積屋頂系統
其 他碳纖維的應用包括大面積屋頂系統，見照片；汽車相關領域，傳動軸和其他類型的動輸設備，以及別的應用如風力透平葉片；機器部件，家用電器和電子產品，個 人電腦及半導體相關設施，它們都需用到碳纖維複合材料的增強、抗靜電性和電磁波遮罩效果。此外，減少人體暴露於X 射線的X 射線器械市場正在擴大。
* 運輸:卡車傳動軸、船隻
* 能源:風力加工
* 機械配件:羅拉，管
* 複合材料:PC 機殼
* 其他醫療儀器等
碳纖維之發展
價格是開發碳纖維市場的關鍵因素，70、80 年代碳纖維主要用於航天航空高技術領域。 碳纖維複合材料能否在航天航空高技術產品上得到應用，主要取決於它的性能是否能滿足設計要求。因此，碳纖維的性能是關鍵因素。
碳纖維研究與生產單位都致力於提高改進碳纖維性能，像日本東麗公司生產的T300 碳纖維，它的抗拉強度由最初的約3000MPa 不斷提高，到80 年代中期同樣是T300碳纖維，而抗拉強度已達到3600MPa，即提高了20%左右。
此外，性能更好的碳纖維像T800(抗拉強度5490MPa)、T1000(抗拉強度7000MPa)相繼研究開發成功，並投入市場，以滿足要求性能更高的高技術產品主承力構件的需求，但T800 和T1000 碳纖維的價格要比T300 分別高出200%和370%。
90 年代以後，碳纖維從傳統的航天航空高技術領域和應用於體育休閒用品向更廣泛的工業領域滲透發展，經濟可承受性就成為決定碳纖維能否在這些新領域得到應用的關鍵因素。
無論土木建築、橋樑修復、交通運輸、汽車工業、能源等，碳纖維在這些新的工業領域要擴大應用，關鍵在於降低價格。
不同的部門，不同的應用領域，不同的研究單位都提出了一個認為可接受的價格，只有當碳纖維的價格低於此數值時，大量採用碳纖維才成為可能。
有的提出當碳纖維價格低於每公斤16.5 美元時才有可能被大規模採用，有的提出碳纖維價格必須低於每公斤11 美元才能擴大應用，還有的提出更低的價格。
可 見，碳纖維的價格必須比現在國際市場價格三十幾到四十美元一公斤(T300 12K)降低百分之五十到百分之七八十才有可能在新的工業領域里大量應用。一旦碳纖維在這個新市場得到擴大應用，碳纖維工業必將面臨一個飛躍，這個新的碳 纖維市場將會超過過去25 年的任何一個市場，而碳纖維工業的發展也將進入一個良性循環。
總之，開發碳纖維市場的關鍵因素已從70、80 年代碳纖維的性能變為90 年代碳纖維的價格，亦即經濟可承受性。
碳纖工業即將飛躍
碳 纖維重量僅鋼鐵的5分之1，鋁的2分之1，但強度卻是鐵的10倍。此外還具耐腐蝕、導電、導熱、傳熱等優異特性，且又具有纖維般柔曲性，易於編織加工和纏 繞成型。因此除了航太以外，碳纖維也被大量使用在運動、汽車和工業用途，如高爾夫球桿、球拍、釣竿、F1賽車車體、人造衛星的構件和建築工程等。
歷 經「九一一」恐怖攻擊事件，造成飛機產業跌落谷底後，一度面臨營運低潮的全球第1大碳纖維廠Toray（日）、第2大廠Toho Tenax（日）及第5大廠Hexcel（美）近年股價逆勢上漲。Toray自2002年250日圓到2006年1100日圓、Toho Tenax自2001年100日圓到2006年1100日圓、Hexcel自2002年1.5美元到2006年25美元，漲幅分別為340%、1000% 及1566%，主要是受惠飛機大量使用碳纖維緣故，其中Toho Tenax更是空中巴士超大型客機A380碳纖維最大供應商。
根據空中巴士分析：A380雖然比B747還龐大，但是測試油耗卻比B747省13%，重量比現今最先進的鋁合金少了1.5噸。省油主要是因為機身大量採用碳纖維材質，也因此每名乘客的平均成本比B747低20%。因此，導致碳纖維目前迅速崛起最大推手，即是航太業。
2005年全球碳纖維需求量達2萬973噸，是1985年3019噸的7倍。在售價方面，傳統腳踏車一台大約只賣台幣3千多元，但是碳纖維腳踏車起碼從5萬元起跳。
因 受限於價格（運用在運動器材的12K級碳纖維報價從3年前每公斤14美元漲至35美元。同樣重量的碳纖維比鋼鐵貴40倍，比鋁合金貴15倍，它的價格幾乎 是貴金屬白銀的4分之1），目前仍尚未大量普及，但這將會是一個新趨勢，尤其在產品更重視輕薄短小及耐用度趨勢下，碳纖維工業必將面臨一個飛躍。
報告人：李牧民
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