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碳纖維知多少?

碳纖維:

碳纖維之崛起源自於50年代東西兩大集團之首–美國、蘇俄為了太空競賽，需要一種質輕而機械強度高的材料，碳纖維因運而生。碳纖維並非那時才開發出來，據文獻記載早在1879年發明大王愛迪生為了尋找一種耐高溫且可通電之燈絲，他利用竹子之纖維將它燒成碳纖維模樣作為燈絲之用。但他所製之碳纖維太脆，毫無強度可言，雖可通電發光之用。離真正實用之地步尚有一段距離，一旦鎢絲被開發成功，以碳纖維作為燈絲之用途旋即被廢。碳纖維成功地被製成補強材料，係在1959年Union Carbide公司以嫘縈纖維成功地燒成具高強度之碳纖維。隨後大阪研究所進騰教授利用聚丙烯腈（polyacrylonitrile簡稱PAN）燒成碳纖維，1965年日本大谷杉郎發明瀝青系碳纖維。此後碳纖維之發展即以聚丙烯腈PAN、瀝青Pitch及嫘縈Rayon等為發展碳纖維之三大母材（precursor）。用來製造碳纖維之母材，發展至今不下百種，但在製程之難易、成本、含碳量等考量下，真正能符合實用者亦僅聚丙烯腈，瀝青與嫘縈三種而已。
碳纖維之等級:碳纖維由於母材、製程及碳化條件不同，故所製成之碳纖維之機械強度及其他物性化性有很大的不同，目前依機械強度與模數之高低，而區分為五種不同等級之碳纖維。
〈1〉高模數纖維（HM Fiber）＞500 GPa
〈2〉高強度纖維（HT Fiber）＞3 GPa
〈3〉中模數纖維（IM Fiber）
強度 100~200 MPa
模數 100~500 GPa
〈4〉低模數纖維（LM Fiber）模數100~200 GPa
〈5〉一般級（GP）
模數 ＜100 GPa
強度 ＜1 GPa
全世界之碳纖維約85％來自PAN系，而15％來自於瀝青系及嫘縈系，在生產高強度纖維時，其母材主要來自於PAN系，而生產高模數碳纖維時則以瀝青系為主。
PAN系碳纖維之製造方法:
聚丙烯腈 是製造碳纖維的主要原料，全世界生產碳纖維有百分之八、九十來自於聚丙烯腈，故聚丙烯腈之製造、抽絲及後續燒結過程－環化、碳化及石墨化等相當重要。
這些強化物之種類可謂琳瑯滿目，但以其材質、種類等分類，舉其重要者不外是碳纖維（石墨纖維）、玻璃纖維 及 克拉纖維 等三種，其他纖維因價格高，產量少，多數僅供研究或特殊用途，碳纖維、玻璃纖維及克拉纖維構成現今複合材料補強物之三大主流，尤其是碳纖維和玻璃纖維幾佔整個強化纖維之全部。