碳纖 (carbon fiber):由經(jīng)環(huán)氧涂層處理和石墨壓織的碳化纖維制成。其優(yōu)點(diǎn)是重量輕,抗張強(qiáng)度高,在所有密度低的人造合成手柄材料中,碳纖可能是最堅(jiān)固的。其由碳引起的反光很引人注目,外觀很具有未來(lái)派色彩。碳纖也是一種高度加工的材料,因此一般也被用在高端產(chǎn)品上。
碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維,其含碳量隨種類不同而異,一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等,但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小,因此有很高的比強(qiáng)度。
碳纖維之種類
經(jīng)高溫處理后,其含碳量超過(guò)90%以上之纖維材料,稱之為碳纖維。碳纖維之種類分類有許多方法,可依原料、特性、處理溫度與形狀來(lái)分類。若依原料可分為纖維素纖維系之嫘縈(rayon)系與木質(zhì)(lignin)系;聚丙烯腈(polyacrylonitrile)系;瀝青(pitch)系;酚樹(shù)脂系與氣相碳纖系等六種。若依特性則分為普通碳纖維;高強(qiáng)度高模數(shù)碳纖維與活性碳纖維等三種。普通碳纖維之強(qiáng)力在120㎏/㎜2以下,楊氏模數(shù)(young掇 modulus)在10000㎏/㎜2以下者稱之;高強(qiáng)度高模數(shù)者,則強(qiáng)力在150㎏/㎜2以上,模數(shù)在17000㎏/㎜2以上時(shí)稱之。
若依加工處理溫度分類時(shí),則可分為耐炎質(zhì);碳素質(zhì)與石墨質(zhì)等三種。耐炎質(zhì)碳纖之處理加熱溫度為200~350℃,可供作電氣絕緣體;碳素質(zhì)碳纖之處理加熱溫度為500~1500℃,可供電氣傳導(dǎo)性材料用;石墨質(zhì)碳纖之處理加熱溫度在2000℃以上,除耐熱性與電氣傳導(dǎo)性提高外,亦具自我潤(rùn)滑性。
若按碳纖維制品之形狀分類時(shí),可分為棉狀短纖維;長(zhǎng)絲狀連續(xù)纖維;纖維束(tow);織物;氈毯與編制長(zhǎng)形物等。
3.碳纖維之研制
3.1 嫘縈系碳纖維
嫘縈纖維素纖維加熱處理時(shí)不會(huì)熔融,若在無(wú)氧狀態(tài)下的不活性氣體(inert gas)中加熱處理,則極易取得碳纖維。
3.2 聚丙烯腈系碳纖維
聚丙烯腈(pan)系碳纖維之制造工程大致可分為聚丙烯腈纖維之制備;安定化工程(耐炎化);碳化工程;表面處理與上漿工程;石墨化工程等五個(gè)程序。
3.3 瀝青系碳纖維
原油經(jīng)900℃以上之高溫提煉后的殘?jiān)?,約含有95wt%之碳質(zhì),若以電解法去除其中之硫酸,再經(jīng)水洗后可得純度極佳之瀝青(pitch)。
3.4 氣相成長(zhǎng)碳纖維
氣相成長(zhǎng)碳纖維有基材上成長(zhǎng)法與流體化觸媒成長(zhǎng)法兩種。將鐵、鈷、鎳等金屬微粒(m)加熱至1100℃,令乙炔(c2h2)熱分解脫氫形成碳素沈積成長(zhǎng)于金屬微粒下方,形成碳纖維。為基材上成長(zhǎng)法之簡(jiǎn)圖,可知其間須喂入氫(h2)氣與苯(c6h6)等氣體。
3.5 活性碳纖維
目前商業(yè)化之活性碳的形態(tài)有粉末狀;顆粒狀與纖維狀等三種,其中粉末狀活性碳(powdered activated carbon,簡(jiǎn)稱pac),大多由木屑制成,平均尺寸約為15~25μm;顆粒狀活性碳(granular activated carbon,簡(jiǎn)稱gac),大致由煤、瀝青粉末制成,平均尺寸約為4~6㎜;纖維狀活性碳(activated carbon fiber,簡(jiǎn)稱acf),則大多由pan、rayon、pitch與phenolic resin等纖維制成,平均直徑約為7~15μm。