碳纖維的特性

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起源

碳纖維源自50年代的冷戰時期,美國與蘇俄間為了太空競賽,需要重量輕且強度高的材料,而開始研發碳纖維,但受限於當時科技的不足,美蘇所製的碳纖維十分脆弱,根本毫無強度與韌度可言,直到1959年美國的聯合碳化物公司(Union Carbide)以嫘縈纖維(Rayon),成功製造具高強度之碳纖維,後來日本的進騰教授利用聚丙烯腈,(Polyacrylonitrile簡稱PAN),成功製造具高韌度之碳纖維,1965年日本的大谷教授,發明瀝青系材料(Pitch)碳纖維,此後此三種材料即成為製造碳纖維之三大母材(Precursor)。

 

 

產業現狀

目前全世界每年的碳纖維產量約4萬公頓,主要生產的廠商為德國的西格里集團(SGL)、美國的赫氏(Hexcel)與卓爾泰克(Zoltek)和阿迪拉(Aldila)等三家公司,日本的東麗(全球產量最大)與東邦和三菱等三家公司,臺灣的台塑集團(全球產量第四大),韓國則有泰光產業。

碳纖維材料是什麼?

碳纖維是一種力學性能優異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂複合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為230~430Gpa亦高於鋼。碳纖維是一種兼具化學惰性和半導體性能的纖維材料,具有重量輕、強度高、彈性模數高、耐高溫、耐酸、長期受力不發生潛變和耐疲勞、尺寸穩定性強、熱導率高、熱膨脹係數小、摩擦係數小、具潤滑性等優異性能。除了強度與輕量化的表現外,碳纖維的其他優點為,比熱和導電性介於非金屬和金屬之間,熱膨脹係數小、且具有良好的耐腐蝕性。

熱效率高,比一般金屬發熱體節能30%以上,升溫速度極快,碳纖維發熱體是一種純黑體材料,因此具有升溫迅速、熱滯後小、發熱均勻、熱輻射傳遞距離遠、熱轉換速度快等特點。工作過程中光通量遠遠小於金屬發熱體的電熱管,電熱轉換效率高達95%以上(也就是說你用1000w的普通電熱管,用碳纖維電熱管的時候只需要700w )。

但碳纖維也是有一些缺點,無法抵抗尖銳物的撞擊性、在強酸作用下容易發生氧化、與金屬複合時會發生金屬碳化等現象,因此碳纖維在使用前必須進行表面的處理。所以材料工程學特別開發出CFRP 碳纖維複合材質技術,讓碳纖維材料的實用性與耐用度更為提高。