碳素纖維:強度極高的複合材料-中文百科頻道

簡介

在國際上被譽為“黑色黃金”，它繼石器和鋼鐵等金屬後，被國際上稱之為“第三代材料”，因為用碳纖維制成的複合材料具有極高的強度，且超輕、耐高溫高壓。

特性

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量随種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯着的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。

由來

1880年美國愛迪生首先将竹子纖維碳化絲，作為電燈泡内之發光燈絲，開啟了碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）之紀元。碳纖維用在結構材料，首先問世者，則以美國Union Carbide公司（U.C.C.）為代表，并于1959年将嫘萦纖維為原料，經過數千百度之高溫碳化後，得到彈性率約40GPa，強度約為0.7GPa之碳纖維；爾後，1965年該公司又用相同原料于3000℃高溫下延伸，開發出絲狀高彈性率石墨化纖維，彈性率約500GPa，強度約為2.8GPa。

另外，于日本大坂工業技術試驗所之進藤博士，則以Polyacrylonitrile（簡稱PAN）聚丙烯腈為原料，經過氧化與數千度之碳化工程後，得到彈性率為160GPa，強度為0.7GPa之碳纖維。1962年日本碳化公司（Nippon Carbon Co.）則用PAN為原料，制得低彈性系數（L.M.）之碳纖維。

東麗公司亦以PAN纖維為原料，開發了高強度之CF，彈性率約為230GPa，強度約為2.8GPa，并于1966年起有每月量産1噸之規模；同時亦開發了碳化溫度2000℃以上之高彈性率CF，彈性率約400GPa，強度約為2.0GPa。于1965年，群馬大學大谷教授，利用加熱氯乙烯（Vinyl Chloride）得到之瀝青（Pitch），經過熔融紡絲、不融化與碳化工程處理後，得到普通級碳纖維；大谷教授亦可利用木質素（Lignin）為原料制作碳纖維。

碳纖維之需求量雖逐漸擴大，但1991年以後冷戰結束後，軍事用途之使用量萎縮，複因泡沫經濟與景氣蕭條，供需失去平衡，産業受到沖擊。然而，美國波音公司新銳機型B777之生産，加上土木、建築、汽車與複合材料之擴大應用，碳纖維産業逐漸緩步成長中。

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。若依原料可分為纖維素纖維系之嫘萦（Rayon）系與木質（Lignin）系；聚丙烯腈（Polyacrylonitrile）系；瀝青（Pitch）系；酚樹脂系與氣相碳纖系等六種。

若依特性則分為普通碳纖維；高強度高模數碳纖維與活性碳纖維等三種。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，則可分為耐炎質；碳素質與石墨質等三種。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。

若按碳纖維制品之形狀分類時，可分為棉狀短纖維；長絲狀連續纖維；纖維束（Tow）；織物；氈毯與編制長形物等。

研制

嫘萦系碳纖維

嫘萦纖維素纖維加熱處理時不會熔融，若在無氧狀态下的不活性氣體（Inert Gas）中加熱處理，則極易取得碳纖維。

聚丙烯腈系碳纖維

聚丙烯腈（PAN）系碳纖維之制造工程大緻可分為聚丙烯腈纖維之制備；安定化工程（耐炎化）；碳化工程；表面處理與上漿工程；石墨化工程等五個程序。

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）。

氣相成長碳纖維

氣相成長碳纖維有基材上成長法與流體化觸媒成長法兩種。将鐵、钴、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。

活性碳纖維

目前商業化之活性碳的形态有粉末狀；顆粒狀與纖維狀等三種，其中粉末狀活性碳（Powdered Activated Carbon，簡稱PAC），大多由木屑制成，平均尺寸約為15～25μm；顆粒狀活性碳（Granular Activated Carbon，簡稱GAC），大緻由煤、瀝青粉末制成，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等纖維制成，平均直徑約為7～15μm。

活性碳纖維之吸着性

活性碳纖維之特性，其吸着性依原料不同有所差異，其中以日本等國開發之Phenolic Resin系之效果較佳。在溶劑吸着之過程中，首先是表面質傳，再于孔洞内擴散，接着活性真吸附與多層吸附，最後形成毛細凝結，故活性碳纖維為一種優良之溶劑吸着材，甚至回收利用。同時對于空氣淨化、脫色、脫臭、醫療用衛生、防毒面具/口罩、電子材與各項污染防止過濾材等用途皆可廣泛利用。

結論

碳素纖維每年雖呈小幅成長，但仍具穩定之特殊固定市場性與用途需求性。碳素纖維之用途依國家不同而異，美國主要發展用于國防與航天，而日本則用于運動休閑器材，在未來預期在環保用途将會大幅成長。碳素纖維依産品設計與結合特殊他種材料會展開另一新紀元。

用途

用途：航天/船艦工業/汽車運動器材

國家及用途比例:

美國：74.40%13.60%12.10%

日：4.00%33.60%62.40%

碳素纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成複合材料。碳纖維增強的複合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車闆簧和驅動軸等。

碳素纖維是軍民兩用新材料，屬于技術密集型和政治敏感的關鍵材料。以前，以美國為首的巴黎統籌委員會(COCOM)，對當時的社會主義國家實行禁運封鎖政策，1994年3月，COCOM雖然已解散，但禁運封鎖的陰影仍籠罩在上空，先進的碳纖維技術仍引不進來，特别是高性能PAN基原絲技術，即使我國進入WTO，形勢也不會發生大的變化。

因此，除了國人繼續自力更生發展碳纖維工業外，别無其它選擇。因此，國外尤其是碳纖維生産技術領先的日韓等國對中國的碳纖維材料及制品的出口一直保持相當謹慎的态度，隻有為數很少的中國企業能夠與其建立合作關系，擁有其産品的進口渠道。

目前世界碳素纖維産量達到4萬噸/年以上，全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德國SGL西格裡集團，韓國泰光産業，我國台灣省的台塑集團，等少數單位掌握了碳纖維生産的核心技術，并且有規模化大生産。

目前在祖國大陸還沒有一個年産100t的規模化碳纖維工廠，大多還處于中試放大階段。值得一提的是我國台灣省的台塑集團，在80代年中期從美國Hitco公司引進百噸級碳纖維生産線，經消化、吸收和配套後得到迅速發展，台塑産量增加很快，但碳纖維質量的提高幅度并不大。

我國對碳素纖維的研究開始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀以來發展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進了500噸/年原絲、200噸/年PAN基碳纖維(隻有東麗碳纖維T300水平)，使我國碳纖維工業進入了産業化。随後，一些廠家相繼加入碳纖維生産行列。

據不完全統計，目前，我國已有12家生産規模大小不一(5～800噸/年)的PAN基碳纖維生産廠家，合計生産能力為1310噸/年，産品規格為1K、3K、6K、12K。但由于一些企業沒有原絲可燒，實際國内碳纖維的總産量不足40噸/年，而且産品質量不太穩定，大多數達不到T300水平。可喜的是從2000年開始我國碳纖維向技術多元化發展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。目前利用自主技術研制的少數國産T300、T700碳纖維産品已經達到國際同類産品水平。

随着近年來我國對碳素纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業重點扶持的新産品，成為國内新材料行業研發的熱點。據不完全統計，目前拟建和在建的碳纖維生産企業有11家，合計生産能力為原絲7100噸/年、碳纖維1560噸/年，其中在建企業為4家，合計生産能力為原絲1100噸/年、碳纖維470噸/年。

盡管我國碳纖維生産發展緩慢，而消費量卻一直在逐漸增加，市場需求旺盛。主要用途包括體育器材、一般工業和航空航天等，其中體育休閑用品的使用量最大，占消費量的約80%～90%。

我國碳纖維的需求量已超過3000噸/年，2010年将突破5000噸/年。主要應用領域為：成熟市場有航空航天及國防領域(飛機、火箭、導彈、衛星、雷達等)和體育休閑用品(高爾夫球杆、漁具、網球拍、羽毛球拍、箭杆、自行車、賽艇等)；新興市場有增強塑料、壓力容器、建築加固、風力發電、摩擦材料、鑽井平台等；待開發市場有汽車、醫療器械、新能源等。

我國碳纖維複合材料的研制開始于20世紀70年代中期，經過近40年的發展，已取得了長足進展，在航天主導産品(彈、箭、星、船)上得到了廣泛應用。近年來，我國體育休閑用品及壓力容器等領域對碳纖維的需求迅速增長，航空航天技術的快速發展急需高性能碳纖維及其複合材料等，市場需求更加旺盛。

為了滿足國内市場對碳纖維不斷增長的需求，應盡快實現我國碳纖維工業的國産化和規模化。為此，必須加快技術創新，掌握核心技術；加速原絲技術開發，研制高純度原絲；強化應用研究和市場開發，進一步擴大應用領域。碳纖維在我國大有發展前途，但應總結滌綸等化纖發展的經驗教訓，避免盲目發展，實現健康發展。

為了大型飛機的制造和航空航天事業的發展，我國還必須盡快地實現高強中模型碳纖維的産業化。但是，因為高性能碳纖維是發展航空航天等尖端技術必不可少的材料，長期受到以美國為首的巴黎統籌委員會的封鎖。雖然“巴統”在1994年3月解散了，但禁運的陰影仍然存在。即使對我國解除了禁運，開始也隻能是通用級碳纖維，而不會向我們出售高性能碳纖維技術和設備。因此，發展高性能碳纖維必須要靠我們自己。

我國化學纖維工業“十一·五”發展規劃中提出了“從以增加數量為主轉向大力發展高新技術纖維”，特别是把事關國家産業安全的高新技術纖維材料作為重中之重，而且碳纖維被列為首位，是國家迫切需要短期内突破的高新技術纖維品種，為我國碳纖維的發展創造了條件，我們要抓住這一機遇，自力更生、努力創新，發展具有自己知識産權的碳纖維，以滿足不斷增長的市場需求。

國家“863計劃”以及有關部委都在關心我國碳纖維工業的發展及其産業化步伐，并給予強有力的支持，許多材料專家也紮紮實實的做了許多工作。“十一五”期間，我國又啟動了相關“973計劃”。相信“十一五”将是我國碳纖維工業産業化的黃金時代。