碳纖維

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碳纖維
碳纖維布料

碳纖維英語:Carbon fiber),又稱石墨纖維,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原子的構成。

為了產生碳纖維,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,重量輕,高耐化學性,耐高溫和低的熱膨脹,使其在航空航天,土木工程,軍事,賽車與其他競技體育運動製品很受歡迎。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。當混合塑料樹脂並纏繞或模塑後具有非常高的強度 - 重量比碳纖維增強聚合物英語Carbon-fiber-reinforced polymer(通常被稱為碳纖維)。然而,碳纖維也合成與其它材料,如石墨,以形成耐高溫的碳 - 碳複合材料。

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,是由一層層以六邊形模式(石墨烯薄片)排列的碳原子所構成。兩者差別在於層與層之間的連結的方式。石墨晶體結構,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航天,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。

紡織品[編輯]

對於碳纖維前體是聚丙烯腈(PAN), 人造纖維瀝青。碳纖維長絲紗被用於多個處理技術:直接的用途是用於預浸漬,長絲卷繞,拉擠,紡織,編織等。

微電極[編輯]

碳纖維用於碳纖維微電極的製作。在此應用中通常與5-7微米直徑的單個碳纖維被密封在玻璃毛細管[4]。在毛細管的尖端或者用環氧樹脂密封並拋光製作成為碳纖維圓盤微電極,或纖維被切割成長度為75-150微米,製作成為碳纖維圓柱電極。碳纖維微電極使用,也可以在安培檢測法英語Amperometry快速掃描循環伏安法英語Fast-scan cyclic voltammetry檢測生物化學信號。

製造工藝[編輯]

一般用聚丙烯腈(PAN)、嫘縈、粘膠纖維等聚合物原料,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℃左右的高溫完成驅除非碳原子(碳化),最後加熱到1500-3000℃成碳纖維。碳纖維的長絲可能被進一步處理以提高品質,然後卷繞到筒管[5]

碳纖維的預備

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 (PDF). speautomotive.com. 
  4. ^ Pike, Carolyn M.; Grabner, Chad P.; Harkins, Amy B. Fabrication of Amperometric Electrodes. Journal of Visualized Experiments. 4 May 2009, (27). doi:10.3791/1040. 
  5. ^ How It Is Made. zoltek.com. 

外部連結[編輯]