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17000Kg/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(creepdeformation)，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。