碳纖維

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碳纖維布料

碳纖維(或石墨纖維Carbon (fiber))是一種具有很高強度和模量的耐高溫纖維,為化纖的高端品種。它是由約5-10微米直徑的纖維構成的材料和主要由碳原子的構成。

為了產生碳纖維,碳原子在晶中體被鍵合在一起,那些和作為晶體取向有更多或更少的平行排列的纖維長軸給了纖維高強度與體積的比值(以它的大小使之強壯)。幾千碳纖維集束在一起形成一個纖維束,其可以單獨使用或編織成織物。

碳纖維的特性,如高硬度,高強度,低重量,高耐化學性,耐高溫和低的熱膨脹,使其在航空太空,土木工程,軍事,賽車與其他競技體育運動很受歡迎。然而,相對於類似的纖維,例如玻璃纖維或塑料纖維,碳纖維是相當昂貴的。

碳纖維通常與其他材料結合以形成複合材料。碳纖維也被複合於其它材料,如石墨,以形成碳-碳複合材料,它具有非常高的耐熱性。

結構與特性[編輯]

前面為直徑6微米的碳纖維與後面人類頭髮的比較

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,幾乎全部由構成。最早的一代(如T300,HTA和AS4)有16-22微米直徑。[1]後來纖維(如IM6或IM600)的直徑大約有5微米。[1]

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。導熱能力高但傳能力低,碳纖維的比熱容量亦比低。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。

應用[編輯]

RC直升機的尾部,由碳纖維增強聚合物英語Carbon fiber reinforced polymer製成。

在2009年,碳纖維複合材料的全球需求價值大約為108億美元,比上一年減少8-10%。預計到2012年將達到US$132億,到2015年增加擴大至US$186億,有7%以上的年增長率。強勁的需求來自於飛機和航空太空,風力發電,以及來自汽車行業。[2][3]

因為碳纖維又輕又堅硬,所以它的用途很廣泛。

複合材料[編輯]

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。

近年來碳纖維更是廣泛被使用於大型飛機,例如空中巴士A350A380波音787均利用碳纖維複合材料來減輕耗油量。

另外大型風力發電機的葉片,賽車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。

製造工藝[編輯]

一般用聚丙烯腈嫘縈、粘膠纖維等原料,先在200-300℃的空氣中進行預氧化,繼在氣等惰性氣體保護下,用1000℃左右的高溫完成碳化,最後加熱到1500-3000℃成碳纖維。

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 W.J. Cantwell, J Morton. The impact resistance of composite materials – a review. Composites. 1991, 22 (5): 347–62. doi:10.1016/0010-4361(91)90549-V. 
  2. ^ Market Report: World Carbon Fiber Composite Market. Acmite Market Intelligence. July 2010. 
  3. ^ Roman Hillermeier, Tareq Hasson, Lars Friedrich, Cedric Ball. Advanced Thermosetting Resin Matrix Technology for Next Generation High Volume Manufacture of Automotive Composite Structures. speautomotive.com. 

外部連結[編輯]