專業知識

碳纖維-節能減碳新應用

Carbon Fiber一New Application of Energy Saving and Carbon Reduction

近來，節能減碳當道，企業經營似乎也圍繞這話題，於是在製程改善以外，產品設計也莫不以追求環保設計，減量、減廢、回收、輕量化等為重要設計策略。碳纖維因時利導，在結構強度及輕量化中成為產品設計的重要前瞻材料。

碳纖維又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層複合而成的材料。是人造纖維中的無機纖維，比鋁還輕、比鋼還硬，其比重為鐵的四分之一，強度是鐵的十倍。碳纖維是一種物質，是由和鑽石同等材質的碳製成的，在化學組成上非常穩定，並具有高抗腐蝕性，碳纖維因此廣泛應用於飛機零件、醫療設備、壓力容器、建築材料和體育用品等。

碳纖維的演進

碳纖維之崛起源自於50年代東西方兩大集團之首－美國、蘇聯為了太空競賽．需要—種質輕而機械強度高的材料，碳纖維乃應運而生。

1879 年發明大王愛迪生為了尋找耐高溫且可通電之燈絲，利用竹子纖維燒結碳化出第一條碳纖維，但他所製的碳纖維太脆弱，雖可通電發光，但離真正實用的地步尚有—段距離。到了60 年代是纖維基碳纖維的發展鼎盛時期。1959 年美國Union Carbide公司以螺縈纖維燒結出高強度之碳纖維，大阪研究所進騰教授利用聚丙烯腈（polyacryIonitriIe 簡稱PAN) 燒成碳纖維，1965年日本大谷杉郎又發明瀝青系碳纖維。此後碳纖維之發展即以聚丙烯腈(PAN)、瀝青(Pitch) 及嫖縈(Rayon) 等為發展碳纖維之三大母材。台灣碳纖維的開發，則始於1985 年由台塑公司引進美國Hitco公司的PAN碳化技術，生產一般級碳纖維。

利用傳統方法所生產的碳纖維，其直徑一般皆在7~20mm 的範圍。直到1991 年日本Sumio Iijima發現奈米碳管，才開始吸引大家對奈米碳材的研究，21 世紀可說是奈米碳纖維材料研究的新紀元。

在1970 年開始的，商業化生產聚丙烯腈基和各向同性瀝青基炭纖維是開始大規模在日本。在1980年下半年的，各向異性瀝青基碳纖維生產商闖入市場。由於不懈技術進步和業務拓展，日本碳纖維製造商一直保持他們世界排名第一的質量和生產單。

碳纖維的結構與特性

每一根碳纖維是由數千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六角型排列的碳原子所構成。兩者差別在於層與層之間的連結。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，碳纖維的比熱容量亦比銅低。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。

碳纖維的質量只有鋼鐵的0.2~0.3倍，但張力卻是鋼鐵的2~10倍，據IATA ( 國際航空運輸協會） 研究顯示，若利用碳纖維重量輕和高強度的特性來製作飛機，並將碳纖維材料使用率提升到50 %，可使飛機重量減輕30~40 %，節省燃料耗費、減少排碳量，預估每載百人飛行1 公里，可減少排碳2公斤。

碳纖維非常穩定，不會起化學反應，也幾乎不受溫度與壓力的變化而產生質變，相較於在635℃時會軟化，到了1400℃更會熔化的鋼材，碳纖維在20~2000℃度範圍內卻具有愈高溫愈堅固的特性。

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理性、化學性有很大的不同。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)：模數(GP) > 500 GPa

2 〉高強度纖維(HT Fiber)：模數(GP) > 300 GPa

3 〉中模數纖維(IM Fiber)：模數(GP) 100-500 GPa，強度100-200 MPa

4 〉低模數纖維(L M Fiber)：模數(GP) 100-200 GPa

5 〉一般級纖維：模數(GP) < 100 GPa，強度< 100 GPa

碳纖維的應用

碳纖維隨著材料價格的大幅降價，應用的範圍逐漸擴大。從最開始用於航太工業、運動用品、建築裝潢、交通工具；經過F1方程式賽車、利曼24小時賽車的進化，再進入到房車。近幾年推行的節能減碳風，帶動了自行車產業的蓬勃發展，碳纖維也被大量應用。

碳纖維從原來以物理特性、結構強度為主的應用，開始延伸到實用及美觀，日常用品也開始應用。例如3C產品、家具、家電、樂器等商品都出現碳纖維製品設計，碳纖維已是逐漸廣泛使用的材料。

碳纖維的環保

碳纖維目前已有應用在家具上，如歐洲的Moooi，國內以國靖家具率先投入辦公椅應用，並獲得2009 年廣州家具展材料應用金獎，以及廣州國際設計週紅棉至尊獎的最高榮譽。但碳纖維要擴大應用，關鍵則在於降低價格，因目前材料成本過高，尚不能普及化。但其材料之物理特性優於現有使用之材料，加工成型方式也較現有金屬材料有更多樣化的選擇，能製作出更精美的商品。所以現在許多設計師都開始嘗試去設計，也使家具原來的設計方式能突破現有的開模與加工的概念，相信隨著材料價格逐漸下滑，會有更多的碳纖維家具出現。碳纖維做為新時代的環保節能概念材料，未來的普及指日可待。

參考文獻

日本碳纖維最近之發展，許明發譯，中華尖端材料。

碳纖維材料入門，大谷杉郎，大谷朝男著賴耿陽譯。

維基百科Wikipedia

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