碳素纤维

取自 食品百科全书

碳素纤维又称碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）。在国际上被誉为“黑色黄金”，它继石器和钢铁等金属后，被国际上称之为“第三代材料”，因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度，且超轻、耐高温高压。

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

碳素纤维又称碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）。在国际上被誉为“黑色黄金”，它继石器和钢铁等金属后，被国际上称之为“第三代材料”，因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度，且超轻、耐高温高压。 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 侧图为碳纤维布.

1.由来 1880年美国爱迪生首先将竹子纤维碳化丝，作为电灯泡内之发光灯丝，开启了碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）之纪元。碳纤维用在结构材料，首先问世者，则以美国Union Carbide公司（U.C.C.）为代表，并于1959年将嫘萦纤维为原料，经过数千百度之高温碳化后，得到弹性率约40GPa，强度约为0.7GPa之碳纤维；尔后，1965年该公司又用相同原料于3000℃高温下延伸，开发出丝状高弹性率石墨化纤维，弹性率约500GPa，强度约为2.8GPa。 另外，于日本大阪工业技术试验所之进藤博士，则以Polyacrylonitrile（简称PAN）聚丙烯腈为原料，经过氧化与数千度之碳化工程后，得到弹性率为160GPa，强度为0.7GPa之碳纤维。1962年日本碳化公司（Nippon Carbon Co.）则用PAN为原料，制得低弹性系数（L.M.）之碳纤维。东丽公司亦以PAN纤维为原料，开发了高强度之CF，弹性率约为230GPa，强度约为2.8GPa，并于1966年起有每月量产1吨之规模；同时亦开发了碳化温度2000℃以上之高弹性率CF，弹性率约400GPa，强度约为2.0GPa。于1965年，群马大学大谷教授，利用加热氯乙烯（Vinyl Chloride）得到之沥青（Pitch），经过熔融纺丝、不融化与碳化工程处理后，得到普通级碳纤维；大谷教授亦可利用木质素（Lignin）为原料制作碳纤维。 碳纤维之需求量虽逐渐扩大，但1991年以后冷战结束后，军事用途之使用量萎缩，复因泡沫经济与景气萧条，供需失去平衡，产业受到冲击。然而，美国波音公司新锐机型B777之生产，加上土木、建筑、汽车与复合材料之扩大应用，碳纤维产业逐渐缓步成长中。 2.碳纤维之种类 经高温处理后，其含碳量超过90％以上之纤维材料，称之为碳纤维。碳纤维之种类分类有许多方法，可依原料、特性、处理温度与形状来分类。若依原料可分为纤维素纤维系之嫘萦（Rayon）系与木质（Lignin）系；聚丙烯腈（Polyacrylonitrile）系；沥青（Pitch）系；酚树脂系与气相碳纤系等六种。若依特性则分为普通碳纤维；高强度高模数碳纤维与活性碳纤维等三种。普通碳纤维之强力在120㎏/㎜2以下，杨氏模数（Young掇 Modulus）在10000㎏/㎜2以下者称之；高强度高模数者，则强力在150㎏/㎜2以上，模数在17000㎏/㎜2以上时称之。 若依加工处理温度分类时，则可分为耐炎质；碳素质与石墨质等三种。耐炎质碳纤之处理加热温度为200～350℃，可供作电气绝缘体；碳素质碳纤之处理加热温度为500～1500℃，可供电气传导性材料用；石墨质碳纤之处理加热温度在2000℃以上，除耐热性与电气传导性提高外，亦具自我润滑性。 若按碳纤维制品之形状分类时，可分为棉状短纤维；长丝状连续纤维；纤维束（Tow）；织物；毡毯与编制长形物等。 3.碳纤维之研制 3.1　嫘萦系碳纤维 嫘萦纤维素纤维加热处理时不会熔融，若在无氧状态下的不活性气体（Inert Gas）中加热处理，则极易取得碳纤维。 3.2　聚丙烯腈系碳纤维 聚丙烯腈（PAN）系碳纤维之制造工程大致可分为聚丙烯腈纤维之制备；安定化工程（耐炎化）；碳化工程；表面处理与上浆工程；石墨化工程等五个程序。 3.3　沥青系碳纤维 原油经900℃以上之高温提炼后的残渣中，约含有95wt％之碳质，若以电解法去除其中之硫酸，再经水洗后可得纯度极佳之沥青（Pitch）。 3.4　气相成长碳纤维 气相成长碳纤维有基材上成长法与流体化触媒成长法两种。将铁、钴、镍等金属微粒（M）加热至1100℃，令乙炔（C2H2）热分解脱氢形成碳素沈积成长于金属微粒下方，形成碳纤维。为基材上成长法之简图，可知其间须喂入氢（H2）气与苯（C6H6）等气体。 3.5　活性碳纤维 目前商业化之活性碳的形态有粉末状；颗粒状与纤维状等三种，其中粉末状活性碳（Powdered Activated Carbon，简称PAC），大多由木屑制成，平均尺寸约为15～25μm；颗粒状活性碳（Granular Activated Carbon，简称GAC），大致由煤、沥青粉末制成，平均尺寸约为4～6㎜；纤维状活性碳（Activated Carbon Fiber，简称ACF），则大多由PAN、Rayon、Pitch与Phenolic Resin等纤维制成，平均直径约为7～15μm。 活性碳纤维之吸着性 活性碳纤维之特性，其吸着性依原料不同有所差异，其中以日本等国开发之Phenolic Resin系之效果较佳。在溶剂吸着之过程中，首先是表面质传，再于孔洞内扩散，接着活性真吸附与多层吸附，最后形成毛细凝结，故活性碳纤维为一种优良之溶剂吸着材，甚至回收利用。同时对于空气净化、脱色、脱臭、医疗用卫生、防毒面具／口罩、电子材与各项污染防止过滤材等用途皆可广泛利用。 4.结论碳素纤维每年虽呈小幅成长，但仍具稳定之特殊固定市场性与用途需求性。碳素纤维之用途依国家不同而异，美国主要发展用于国防与航天，而日本则用于运动休闲器材，在未来预期在环保用途将会大幅成长。碳素纤维依产品设计与结合特殊他种材料会展开另一新纪元。 5.碳纤维之主要用途与比例 用途 航天／船舰 工业／汽车 运动器材 国家 美国 74.40% 13.60% 12.10% 日本 4.00% 33.60% 62.40%