碳纖維
碳纖維（英語：Carbon fiber），是一種高強度和模量的耐高溫纖維，為化纖的高端品種。它主要由碳原子構成，直徑約5-10微米。[來源請求] 為了產生碳纖維，碳原子在晶體中被鍵合在一起，平行排列的纖維長軸給予碳纖維相當高的強度-體積比。幾千條碳纖維集束在一起形成一個纖維束，可以單獨使用或被編織成織物。
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，使其在航天工程、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，例如玻璃纖維或塑膠纖維，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 - 重量比的碳纖維強化聚合物（通常也被稱為碳纖維）。然而，碳纖維也會與其它如石墨的材料複合，以形成耐高溫的碳 - 碳複合材料。
結構與特性
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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，幾乎全部由碳構成。 最早的一代（如T300，HTA和AS4）有16-22微米直徑。[1] 新研發的碳纖維（如IM6或IM600）的直徑大約有5微米。[1]
在原子層面，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。導熱能力高但傳電能力低，碳纖維的比熱容亦比銅低。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
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2012年，碳纖維複合材料的全球需求價值大約為103億至140億美元。預計2012年到2018年，年增長率約為10%至12%。[2]強勁的需求來自於飛機和航空航天，風力發電，以及來自自行車及汽車行業。[3][4]
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。碳纖維製品的缺點是難以自然分解，大量棄置會造成環境問題。近年來碳纖維更是廣泛被使用於大型飛機，例如空中巴士的A350與A380，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、汽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]碳纖維的前體是聚丙烯腈（PAN）， 人造纖維和瀝青。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[5]。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或快速掃描循環伏安法檢測生物化學信號。
生醫產業
[編輯]碳纖維經過活化之後，成為「活性碳纖維」。此種活性碳纖維具有大量的微孔，形成奈米空間，擁有極大的比表面積。具有吸附及脫附的能力，最常見的產品即是生活上所用的口罩。此種材料也被用在各種過濾器或水質淨化器中。
載具結構
[編輯]碳纖維比起傳統鋼材重量更輕強度更高，通常應用在賽車輕量化以及一些其他工業儀器的部件應用。
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，繼在氬氣等惰性氣體保護下，用約1700℃的高溫完成驅除非碳原子的過程（碳化），最後加熱到2600－3000℃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[6]。
供需情況
[編輯]拉長時間線看，從2020年起，隨著供需力量變化，碳纖維逐漸成為了供應過剩的品種。2020年投入興建的產能陸續投放，不斷堆積的庫存逼迫物價水準調整。根據百川盈孚，去年下半年開始產業已經陷入虧損，3月整體毛利率下降至4.96%。2023年，碳纖維的市場需求達到11.5萬噸，國內需求量佔60%。需求情境上，全球與中國大同小異，往年用於風電葉片的碳纖維至少佔去1/4的用量，但去年航空航天取代其位置，佔比達到19.1%，價值量更佔到了將近一半的體量。從2022年開始，供需關係就發生了翻天覆地的改變。2020年下游風電需求快速成長推動一輪碳纖維的大幅擴產，國內企業是那一輪擴產的主力，產能於21年底，22年集中釋放，兩年前新增產能分別達到2.96萬噸，2.65萬噸。[7]
參見
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ 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.
- ^ Das, Sujit; Warren, Josh; West, Devin. Global Carbon Fiber Composites Supply Chain Competitiveness Analysis (PDF). Clean Energy Manufacturing Analysis Center. [2017-05-24]. （原始內容存檔 (PDF)於2017-03-29）.
- ^ Market Report: World Carbon Fiber Composite Market. Acmite Market Intelligence. July 2010 [2014-07-13]. （原始內容存檔於2011-09-02）.
- ^ 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. （原始內容 (PDF)存檔於2015-09-21）.
- ^ 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.
- ^ How It Is Made. zoltek.com. [2016-04-26]. （原始內容存檔於2015-03-19）.
- ^ “黑色黃金”，觸底等反彈. [2024-05-11]. （原始內容存檔於2024-05-11）.
外部連結
[編輯]
- Working with Carbon fiber for Robotics and R/C Aircraft （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Carbon Fiber in Formula One
- The Chemistry of Carbon Fiber （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Making Carbon Fiber （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Carbon Fiber Examples
- Luis and Clark Carbon Fiber Musical Instruments （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Carbon Fiber Musical Instruments XOX Audio Tools （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Carbon Fiber Rollers chiyo technique
