碳纤维之物性与应用

1、碳纖維之物性與應用碳纖維之物性與應用報告人：林聰目 錄 前言 碳纖維之結構 碳纖維之制造技術 碳纖維之表面處理 碳纖維之特性 碳纖維之應用一、前言碳纖維的歷史碳纖維與石墨纖維的區別碳纖維之發展，可追溯自十九世紀時，美國發明家愛迪生（Thomas Edison）以熱分解纖維絲素制造碳絲做為電燈泡燈絲，但實際將碳纖維做為工業林料之使用，是在1959年代美國Union Carbide公司以嫘縈（Rayon）為預形體（Precursor）, 制造商品名稱為Thronel 25之碳纖維。1960年代後，日本乃英國相繼以聚丙烯晴纖維（PANFiber,Polyacrylonitrile )為原料制造碳纖維

2、，爾後以瀝青（Pitch)_為原料之碳纖維也陸續被開發出來，碳纖維之發展史。歷經世界性對碳纖維之研究發展，各種高性能（高強度和高彈性系數）碳纖維相繼研制成功，並完成大量商業化之生產，實際上PAN系碳纖維為目前商業化生產之主流，約占90%左右。 碳纖維（Carbon fiber)是一般通用之名稱，此外尚有石墨纖維（Graphite fiber)之稱，其實兩者之間稍有差巽，以PAN系之碳纖維為例，若熱處理溫度在1316（2400 ）得到含碳9395%之纖維，稱之為碳纖維，具有較好的抗拉強度，若將PAN以18993010 （34505450 ）熱處理，得到含碳99%以上且具有高彈性系數之纖維，則稱之

3、為石墨纖維。二、碳纖維之結構3.35A=d(002)CARBON SHEET1.42AC理想石墨的之晶體結構(透視圖) 1.42A1.42A每一層結構每一層結構理想石墨的之晶體結構(俯視圖)1.42ATurbostratic石墨之晶體構造三、碳纖維之制造技術 嫘縈系之碳纖維 PAN系之碳纖維 瀝青系之碳纖維嫘縈系(Rayon)CHOHOCHOHCHCHOCHCH2OHO-CO-H2-CO2H2O瀝青系(Pitch)-H2 3501500以上-H2石墨纖維（低模數型）碳素纖維（低模數型）氣化纖維等方性PITCH纖維無中間相液晶（紡絲用瀝青）石墨纖維（高強度型）碳素纖維（高強度型）氣化纖維巽方性P

4、ITCH纖維有中間相液晶（紡絲用瀝青）液晶化（溫度在300500,通惰性氣體）原料（瀝青）+空氣+惰性氣+惰性氣+惰性氣+惰性氣+空氣熔融紡絲氣化過程250400碳化過程1000 1400 石墨化過程2500 3000 聚丙烯晴纖維(PANFiber ,Polyacrylonitrile)CNCNCNCNCNONONONONONONONONO O O O四、纖維之表面處理 表面處理 有機物上漿(Organic Sizing)碳纖維之表面處理 表面處理v干式氧化v濕式氧化v有機物或無機物之涂布(Coating)v須晶法(Whiskering)v放射線法 有機物上漿(Organic Sizing)

5、處理技朮對力學性質之效果濕式氧化法(Wet Oxidation) HNO3KMnO4，H2SO4次氧酸鈉(NaOCl)鉻酸(H2CrO4)電解NaOH干式氧化法(Dry Oxidation）真空解吸（Vacuum Desorption) 空氣氧氣或臭氧觸媒氣化1.提升ILSS 25200%2.降低抗拉強度1.增加ILSS 100200%2.稍微降低抗拉和抗曲強度 增加ILSS30100% 降低抗拉強度1.增加ILSS 70120% 2.稍降低抗拉強度增加ILSS20%增加ILSS 10200%,c難以控制增加ILSS2040%，難以控制增加ILSS50100%處理技朮對力學性質之效果塗布（Co

6、ating)HNO3+高分子物空氣+塊狀共聚全物氣相分解（Vapor-Phase Deposition)熱解碳（Pyrolytic Carbon)砂石、矽金屬鬚晶法（Whiskering)SiC放射線照射（Irradiation)稍微增加ILSS增加ILSS50100%增加ILSS2560%微ILSS，增進抗氣化性增進抗氣化性增加ILSS200400%微增ILSS，微減抗曲強度五、碳纖維之特性 碳纖維與其復合材料之物性 特殊性質 性能分布區碳纖維與其復合材料之物性 低比重 耐熱性優越 導電性佳 X光透過性高 耐蝕性佳特殊性質 耐疲乏性佳 抗潛變性能佳 優越之熱學性能型態別（TYPE）特征高彈性

7、模數（HM）High Modulus引張彈性模數：50MSI以上。若經石墨化處理可得72MSI以上。高強度（HT）High Tensile強度435KSI以上且彈性3237KSI者。強度超過725KSI者稱為高強度型。中彈性模數（MM）Middle Modulus彈性模數：43.5MSI（300一Gpa）強度：725KSI(5000Mpa)低彈性模數（LM）Low Modulus彈性模數：48MSI（30-60Mpa）強度：72116KSI(500-800Mpa)高性能碳纖維（HP）High Performance一般稱HM，IM，HT三種碳纖維為HP型。彈性模數：29MSI，強度：145KS

8、I以下通用型碳纖維（GP）General Purpose一般稱LM型之碳纖維為GP型彈性模數：14MSI，強度：145KSI中性能碳纖維（MP）Middle Performance介于HP與GP之間的碳纖維彈性系數：1429MSI，強度290KSI性能分布區725425725引張強度KSIMSI彈性模數 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 LM 4843.550 IM5072HMUHMUHT一般型中性能Middie Performance高性能High PerformanceGeneral Pur

9、pose14572SupplierGrade TAIRYFILMITSUBISHITypeStrengthKg/mm2ModulusT/mm2TypeStrengthKg/mm2ModulusT/mm2HT(High Tensile)TC12K33TC12K35TC12K3635045023.525TR30STR40TR50STRH50450480500535 242424.526.3IM(Intermediate Modulus)TC12K4242030MR40MR50K4505603030HM(High Modulus) MS40HR40HS40SR40470470450430354046

10、50SupplierGrade TORAYTOHOTypeStrengthKg/mm2ModulusT/mm2TypeStrengthKg/mm2ModulusT/mm2HT(High Tensile)T300T300JT400HT700S36043045050023.523.525.523.5HTA12KUT500UT8004004905402424.526IM(Intermediate Modulus)M30ST800HT1000G560560650303030IM400IM600 460590 3029 HM(High Modulus)M35JM40JM40M46JM50JM55JM60

11、J4804502804304204104003538.54044.548.55560HM35UM40UM46300500480353944.5六、碳纖維之應用 制品 别具特色的碳纤维复合材料 碳纖維對人體的影響制品 連續性紗束 單方向預浸物 切股纖維 拉擠之結構形材 編織布别具特色的碳纤维复合材料 在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。 碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随

12、种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的强度。 碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做為结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在旨度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。 碳纤

13、维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。 由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。同样，收音机重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复

14、合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的碳纖維對人體的影響碳纖維與生體的關係可由兩方面檢討，一是為生體用的人工髒器，另一是碳纖維的粉塵有無發癌性。人工髒器用碳不只是碳纖維，始自1968年以來的人工心髒瓣，研究直接用碳纖維為人工韌帶，碳易順應生體，證實無害的材料。美日兩國己研究碳纖維粉塵的發癌性，石棉直徑5m以下時經呼吸進入肺部的量增多，卻無這麼細的碳纖維。通常的碳纖維幾不被吸收。刻意把粉碎的PAN系HPCF，用注射器反覆注入老鼠的氣管或肺，與石棉比較，結果，石棉有惡性腫瘤，碳纖維全

15、無。粉碎瀝青系的GPCF，從老鼠的腹腔內、經口、靜脈，皮下四途徑投與，觀察1個月內有無移行到肺內，進行各種病理組織學的檢索，並無有意的影響。大量處置碳纖維時，皮膚常感刺痛，以除毛的老鼠背皮試驗此種刺激對皮膚的影響，把纖維粉碎成苯的懸濁液，每周3次，連續塗500天以上，對照的是只塗苯或有發癌性的Methylcholanthrene的0.1%丙酮液，平均生存數是Methylcholanthrene 快者從第31天就發癌，40例中33例因癌而死，平均生存日數204天，苯是435日，CF苯懸濁液為518 596日。PAN系HPCF瀝青系彈性率小的CF等局部也無任何影響。只彈性率大的瀝青系HMCF在40例中有2例在236日與294日後發生腫瘤。這與其說是化學性發癌作用，不如說是起因