隨後大阪研究所進騰教授利用聚丙烯? (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? 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? ,瀝青與嫘縈三種而已。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。
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
碳纖維之發展:
價格是開發碳纖維市場的關鍵因素,70、80 年代碳纖維主要用於航天航空高技術領域。 碳纖維複合材料能否在航天航空高技術產品上得到應用,主要取決於它的性能是否能滿足設計要求。因此,碳纖維的性能是關鍵因素。
碳纖維研究與生產單位都致力於提高改進碳纖維性能,像日本東麗公司生產的T300 碳纖維,它的抗拉強度由最初的約3000MPa 不斷提高,到80 年代中期同樣是T300碳纖維,而抗拉強度已達到3600MPa,即提高了20%左右。
此外,性能更好的碳纖維像T800(抗拉強度5490MPa)、T1000(抗拉強度7000MPa)相繼研究開發成功,並投入市場,以滿足要求性能更高的高技術產品主承力構件的需求,但T800 和T1000 碳纖維的價格要比T300 分別高出200%和370%。
90 年代以後,碳纖維從傳統的航天航空高技術領域和應用於體育休閒用品向更廣泛的工業領域滲透發展,經濟可承受性就成為決定碳纖維能否在這些新領域得到應用的關鍵因素。
無論土木建築、橋樑修復、交通運輸、汽車工業、能源等,碳纖維在這些新的工業領域要擴大應用,關鍵在於降低價格。
不同的部門,不同的應用領域,不同的研究單位都提出了一個認為可接受的價格,只有當碳纖維的價格低於此數值時,大量採用碳纖維才成為可能。
有的提出當碳纖維價格低於每公斤16.5 美元時才有可能被大規模採用,有的提出碳纖維價格必須低於每公斤11 美元才能擴大應用,還有的提出更低的價格。
可見,碳纖維的價格必須比現在國際市場價格三十幾到四十美元一公斤(T300 12K)降低百分之五十到百分之七八十才有可能在新的工業領域里大量應用。一旦碳纖維在這個新市場得到擴大應用,碳纖維工業必將面臨一個飛躍,這個新的碳纖維市場將會超過過去25 年的任何一個市場,而碳纖維工業的發展也將進入一個良性循環。
總之,開發碳纖維市場的關鍵因素已從70、80 年代碳纖維的性能變為90 年代碳纖維的價格,亦即經濟可承受性。
碳纖維之應用:
碳纖維的工業應用範圍非常廣泛,且在這一領域中碳纖維正在取代金屬、混凝土材料等。作為材料,它滿足對環境、安全和節能的要求,所以預計在這一領域中碳纖維的需求量將會繼續增長。
1.運動用
* 高爾夫球棒
* 釣魚杆
* 網球拍
2.航太用
* 波音飛機
* 空中客車飛機
* 衛星
在建築工程和結構領域中,在抗震修復和增強措施中採用碳纖維是一重大突破,並迅速地在工業領域中擴展。作為加強筋取代材料,對碳纖維的需求預計將來會增加。這項再加上壓力容器,是最有前途的應用之一。壓力容器主要用於汽車壓縮天然氣(CNG)缸,和消防用整裝呼吸器(SCBA)。CNG 缸在美國和歐洲用量激增,而日本和其他亞洲國家,正顯示出對這一應用有著增長的興趣。
3.工業用
* 建築工程和結構:橋墩增強建築材料
* 壓力容器:CNG 罐、壓縮天然氣罐、 SCBA 整裝呼吸器
* 大面積屋頂系統
其他碳纖維的應用包括大面積屋頂系統,見照片;汽車相關領域,傳動軸和其他類型的動輸設備,以及別的應用如風力透平葉片;機器部件,家用電器和電子產品,個人電腦及半導體相關設施,它們都需用到碳纖維複合材料的增強、抗靜電性和電磁波遮罩效果。此外,減少人體暴露於X 射線的X 射線器械市場正在擴大。
4.工業用
* 運輸:卡車傳動軸、船隻
* 能源:風力加工
* 機械配件:羅拉,管
* 複合材料:PC 機殼
* 其他醫療儀器等
碳纖維之展望:
自04 年以來,國際市場碳纖維價格已上漲超過100%。雖然需求旺盛刺激世界碳纖維企業紛紛擴產,但擴產的步伐難以趕上需求的增長。
從各大企業公佈的擴產計劃來看,碳纖維產能未來3 年的年均增長率在20%左右,與需求增速持平,供需失衡根本緩解至少要等到09 年之後。
而國內碳纖維主要生產廠商為台塑,年產能持續倍增預期09 年將達到4.5 萬噸/年。
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