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含 碳量在 90％ 以上的高強度高模量纖維。含碳量在 99％以上的稱為石墨纖維。碳纖維具有元素碳的各種優良性能﹐如比重小﹑耐熱性極好﹑熱膨脹係數小﹑導熱係數大﹑耐腐蝕性和導電性良好等。同時﹐它又具有 纖維般的柔曲性﹐可進行編織加工和纏繞成型。碳纖維最優良的性能是比強度和比模量超過一般的增強纖維﹐它和樹脂形成的複合材料的比強度和比模量比鋼和鋁合 金還高 3倍左右。碳纖維複合材料應用在航太﹑導彈和運動器材上﹐可以顯著減輕重量﹐提高有效載荷﹐改善性能﹐是航太工業的重要結構材料。由於成本降低﹐碳纖維已 逐步擴大用在民用工業﹐如汽車工業和運動器材等方面。1981 年世界碳纖維產量約為 1500噸﹐日本的產量佔一半以上。
碳纖維的特性
目前各國工業用的碳纖維原料有聚丙烯纖維﹑黏膠絲和瀝青纖維三種。聚丙烯基碳纖維性能好﹐碳化得率較高 (50～60％)﹐因此以聚丙烯製造的碳纖維約佔總碳纖維產量的 95％。以黏膠絲為原料製碳纖維碳化得率只有 20～30％﹐這種碳纖維鹼金屬含量低﹐特別適宜作燒蝕材料。以瀝青纖維為原料時﹐碳化得率高達 80～90％﹐成本最低﹐是正在發展的品種。根據使用要求和熱處理溫度的不同﹐碳纖維分為耐燃纖維﹑碳纖維和石墨纖維。例如 300～350℃ 熱處理時得耐燃纖維﹔1000～1500℃ 熱處理時得碳纖維﹐含碳量為 90～95％﹔碳纖維經 2000℃以上高溫處理可以製得石墨纖維﹐含碳量高達 99％以上。
最早的碳纖維是 1880 年由愛迪生研製成功的﹐用作電燈絲。後直到50年代初﹐隨著空間技術的發展﹐需要有優良性能的結構材料﹐許多工業發達國家開始重視碳纖維的研究工作﹐到 60年代獲得迅速的發展。
碳纖維是將原料纖維在一定的張力溫度下﹐經過一定時間的預氧化﹑碳化和石墨化處理等過程製成的。以聚丙烯纖維為原料的碳纖維﹐在預氧化過程中﹐聚丙烯原絲 中含氧化合物是碳化初期分子間交鏈反應的主因﹐氧是環化反應的催化劑﹐加熱形成熱穩定性的梯形結構。碳化和石墨化都是在氮氣中進行的﹐碳化反應是使非碳元 素藉分子間交 鏈反應揮發出來。在熱處理過程中﹐大量氣體揮發後形成更多的石墨層狀結構﹐強度增大﹐模量增加﹐導電性也提高。纖維先由白色變為黃色﹐繼而呈棕黃色﹐最後 變為黑色。碳纖維中石墨層狀結構如下圖:
碳纖維結構/石墨纖維層狀結構/碳纖維的亂層結構
為了改進複合材料中碳纖維和樹脂的黏結﹐須進行表面處理﹐即在緩和條件下進行氧化或晶鬚化 (whiskerization)。
碳纖維中碳原子呈層狀結構﹐它的製造過程就是從有機聚合物製成層狀結構聚合物的過程。碳化的三個過程 中 (1) 是以纖維素纖維為原料﹐隨著纖維素大分子的分解﹐大分子之間生成許多橋鍵﹐初步形成環狀結構﹔(2) 是以聚丙烯纖維為原料﹐首先大分子本身環化﹐經過梯形結構再縮合成層狀結構﹔(3) 是以瀝青為原料時﹐利用瀝青的多環芳香結構﹐先結合成高分子物﹐再生成層狀結構聚合物的過程。
碳纖維絲束中單絲根數有1000﹑3000﹑6000﹑10000 和 10000以上的﹐現正向多孔無拈絲束方向發展。碳纖維的理論強度為 2000公斤/毫米2﹐目前聚丙烯基碳纖維產品已達到 350 公斤/毫米2﹐最高可達 500公斤/毫米2。低性能瀝青基碳纖維已達到 170公斤/毫米2。近年又發展了所謂中間相瀝青碳纖維﹐製造出高性能碳纖維。低性能瀝青基碳纖維可代替石棉增強水泥。
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