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碳纖維

碳纖維. 老師 : 謝慶東 組員 :4A040076 朱睿博 4A040077 范睿恩 4A040090 陳正修 4A040104 朱柏翰 4A040111 李政諺. 前言. 因為碳纖維又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。 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。。 目前賽車、汽機車的車身均為碳纖維複合材料需求量增加的重要因素。腳踏車亦有使用碳纖維複合材料作為車架，但因碳纖維複合材料製造成本高，多為高階車種才能使用。. 結構與特性.

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碳纖維

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  1. 碳纖維 老師:謝慶東 組員:4A040076朱睿博 4A040077范睿恩 4A040090陳正修 4A040104朱柏翰 4A040111李政諺

  2. 前言 • 因為碳纖維又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。 • 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。。 • 目前賽車、汽機車的車身均為碳纖維複合材料需求量增加的重要因素。腳踏車亦有使用碳纖維複合材料作為車架，但因碳纖維複合材料製造成本高，多為高階車種才能使用。

  3. 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。

  4. 碳纖維之種類 • 經高溫處理後，其含碳量超過90％以上之纖維材料，稱之為碳纖維。碳纖維之種類分類有許多方法，可依原料、特性、處理溫度與形狀來分類。若依原料可分為⑴纖維素纖維系之嫘縈（Rayon）系與木質（Lignin）系；⑵聚丙烯月青（Polyacrylonitrile）系；⑶瀝青（Pitch）系；⑷酚樹脂系與⑸氣相碳纖系等六種。若依特性則分為⑴普通碳纖維；⑵高強度高模數碳纖維與⑶活性碳纖維等三種。普通碳纖維之強力在120㎏/㎜2以下，楊氏模數（Young掇 Modulus）在10000㎏/㎜2以下者稱之；高強度高模數者，則強力在150㎏/㎜2以上，模數在17000㎏/㎜2以上時稱之。　　 • 若依加工處理溫度分類時，則可分為⑴耐炎質；⑵碳素質與⑶石墨質等三種。耐炎質碳纖之處理加熱溫度為200～350℃，可供作電氣絕緣體；碳素質碳纖之處理加熱溫度為500～1500℃，可供電氣傳導性材料用；石墨質碳纖之處理加熱溫度在2000℃以上，除耐熱性與電氣傳導性提高外，亦具自我潤滑性。　　若按碳纖維製品之形狀分類時，可分為⑴棉狀短纖維；⑵長絲狀連續纖維；⑶纖維束（Tow）；⑷織物；⑸氈毯與⑹編製長形物等。

  5. 碳纖維之研製分類 • 嫘縈系碳纖維 • 聚丙烯月青系碳纖維 • 瀝青系碳纖維 • 氣相成長碳纖維 • 活性碳纖維

  6. 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。

  7. 聚丙烯月青系碳纖維 • 聚丙烯月青（PAN）系碳纖維之製造工程大致可分為⑴聚丙烯月青纖維之製備；⑵安定化工程（耐炎化）；⑶碳化工程；⑷表面處理與上漿工程；⑸石墨化工程等五個程序。　　首先，將聚丙烯月青聚合物紡製成纖維，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，其主要反應為月青基聚合與脂肪族碳素之氧化，故得到氧化纖維，如表1所示。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。

  8. 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⑴異方性高（90％以上）；⑵分子量分佈狹窄，對稱良好；⑶紡紗溫度300～350℃之熱安定性佳，保有適當之紡紗黏度；⑷不含灰份（Ash）與膠狀（Gel）等成份，茲陳述如後。

  9. 氣相成長碳纖維 • 氣相成長碳纖維有⑴基材上成長法與⑵流體化觸媒成長法兩種。將鐵、鈷、鎳等金屬微粒（M）加熱至1100℃，令乙炔（C2H2）熱分解脫氫形成碳素沈積成長于金屬微粒下方，形成碳纖維。為基材上成長法之簡圖，可知其間須喂入氫（H2）氣與苯（C6H6）等氣體。如圖23所示，則為流體化觸媒成長法，亦須喂入氫（H2）氣、苯與超微粒金屬粉作為觸媒，碳素如年輪或同心圓狀般成長之。　　如圖24所示，氣相成長之過程，當加熱至1100℃，約4小時期間完成⑴核形成初期；⑵長度成長中期與⑶粗度成長後期3個階段，以完成碳纖維。此法所產生之纖維長最長可達10餘公分，直徑約為7μm～1.0㎜。然而此法形成之碳纖維中心部份經常有微細之空洞，在市場上之接受度或其生產成本之競爭力，宜作進一步之評估。

  10. 活性碳纖維 • 目前商業化之活性碳的形態有⑴粉末狀；⑵顆粒狀與⑶纖維狀等三種，其中粉末狀活性碳（Powdered Activated Carbon，簡稱PAC），大多由木屑製成，平均尺寸約為15～25μm；顆粒狀活性碳（Granular Activated Carbon，簡稱GAC），大致由煤、瀝青粉末製成，平均尺寸約為4～6㎜；纖維狀活性碳（Activated Carbon Fiber，簡稱ACF），則大多由PAN、Rayon、Pitch與Phenolic Resin等纖維製成，平均直徑約為7～15μm。

  11. 碳纖維的應用 • 因為碳纖維耐高溫、防輻射、耐水、耐腐蝕，再加上輕巧堅硬使其成為目前最受歡迎的材料之一。 • 應用在含運動器材、航太工業、交通工具、醫療設備、建築設備、辦公設備等工業材料非常的廣泛。 • 當其做廢棄回收時，可以將廢棄物利用高溫把碳纖從複材製品提煉出來，磨成纖維細粉回收，這種產品雖然不如新品的強度，但是仍然保有很好的補強特性，可以再使用成為低階碳纖補強製品。

  12. 結論 • 碳纖維是一種非常實用的材料，耐高溫、耐腐蝕又輕巧堅硬使其運用非常的廣泛 ，加上可以回收再利用製程比較低階碳纖補強製品，可以說它是一運用非常多樣化且環保的材料。

  13. 參考資料 • 引用自： 2007 Jiji Press English News Servicehttp://www.redorbit.com/news/technology/956456/japan_makers_to_recycle_carbon_fiber/?source=r_technology 台灣科技大學 吳文演教授 碳素纖維之研製與應用http://ttf.textiles.org.tw/Textile/TTFroot/aa02n.htm 鋐錄科技股份有限公司 碳纖維應用http://www.honlu.com.tw/cubeshop/front/bin/ptlist.phtml?Category=26 維基百科http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%A2%B3%E7%BA%96%E7%B6%AD 纖維複合材料http://www.iaa.ncku.edu.tw/~young/pccl/cha3.html

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