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PAN碳纤维


PAN 碳纖維
1 前言:

複合材料應用之層面既深且廣,足以影響人們之各個生活 面,但分析材料組成,複合材料能充分發揮其長處且展現各種特 性,追根究底在複合材料之強化物(Reinforcement)。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。 今日之碳纖維和 玻璃纖維在各自領域上獨領風騷,兩者之重要性不必再贅述,本 書將複合材料強化物之三個主要材料–碳纖維、 玻璃纖維及克拉 纖維之製造方式,纖維性質及應用詳細說明,至於一些特殊纖維 亦另闢專篇,簡單扼要的敘述,使讀者能概略的瞭解這些特殊纖 維之特性及用途。

強化物顧名思義即在補強材料之強度、勁度,或某特定功 能,其作用譬如人體之骨骼,建築物之鋼筋等具支撐人體肌肉或 強化房子之功能,且忍受外界所加諸之負載。它可改變原材之機

械性質、物理性質或化學性質等,其改變量之大小與所使用之強 化物種類、類型及用量有關,此類型包括纖維是連續性、非連續 性、短纖維、顆粒或鬚晶等,用量少則 10~20%,多則 60~70%。 強化物之加入,在機械強度之提昇大致皆有正面之效果,且其效 應隨著纖維加入量之增加而增加。

複合材料為了達到強化效果,其纖維常被製成單向(1D), 二維(2D)、或三維(3D)之織物,視零件實際之需要。在一般 結構件,單向或二維纖維織物即可達到強化的目的,但對於特殊 用途之結構件有時需用 3–維或多維織物才能達到零件之最終目 的。

2 強化物之種類及型態:

塑膠材料摻入強化物之目的,除了提昇材料之機械強度 外,亦希望能增加其特殊之功能,例如以玻璃纖維強化環氧樹脂 可增加環氧樹脂之耐衝擊性,以碳纖維加入尼龍樹脂,可增強其 導電性及耐磨性。 這些強化物為有機材料、 無機材料, 或為粉末、 顆粒、短纖維、長纖維、纖維蓆或纖維編織物等。

圖 1 強化物之種類

圖 2 強化物之強化型態

3 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。

3.1 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 模數 100~200 MPa 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。

3.2 碳纖維之生產公司:

碳纖維生產之發源地在日本, 故早期日本為碳纖維生產 之主要國家,其產量佔全世界 60%以上,相反地美國為碳纖維 主要之消費國,全世界約 60%碳纖維為美國所用。美國因應本 國在軍事及太空應用之大量需求, 許多大公司亦相繼投入生產行 列,目前由於碳纖維在各行各業之需要,全世界許多國家皆競相 投資或擴充產能。 中華民國台灣塑膠公司在 1986 年自美國 Hitco 公司買得碳纖維生產技術,由自己公司生產之 PAN 纖維束 燒成碳纖維,提供國內生產球拍、釣魚桿及 CFRP 產品之用。這 些生產碳纖維之公司有的因應市場需要而擴充產能, 或合併其他 公司,有的公司因經營不善而宣佈停產。國際間之經濟狀況及市 場變化萬千,有幸存留下來的,或繼續經營者,莫不提高碳纖維

品質,尤其是向高強度高模數碳纖維為生產之目標。表 1 為全世 界生產碳纖維之公司一覽表。

4 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。

4.1 聚丙烯腈母材纖維之穩定化:

將聚丙烯腈母材纖維燒成高強度之碳纖維, 中間過程必須經過一 個重要的步驟即穩定化(stabilization),這處理過程之適當 性影響後續燒結最終成品之碳纖維機械性質甚巨,故不得不慎 重。穩定化過程係聚丙烯腈母材纖維在氧氣環境下;低溫狀況施 以一定之張力做熱處理,這時聚丙烯腈纖維之化學結構發生變 化,由原線性分子結構轉變為環狀之分子結構,其熔點亦隨著分 子結構之不同而逐漸升高。 穩定化過程通常是聚丙烯腈纖維在氧

化氣流下空氣溫度範圍從 180℃到 300℃,控制加熱速度,一般 為 1~2℃/min,穩定化過程主要有三種反應: (1)環化反應(Cyclization)。 (2)脫氫反應(Dehydrogenation)。 (3)氧化反應。 聚丙烯腈纖維進行穩定化過程中, 纖維顏色一直在改變, 由黃色、 棕色、以至於最後之黑色。這種顏色變化象徵纖維內分子結構之 改變,由聚烯(Polyene)結構到形成碳氮雙鍵(C=N)縮環之結 構,即所謂梯形結構。這些反應過程中皆為放熱反應,脫氫及環 化反應之放熱量分別為-242.67KJ/mole 及-58KJ/mole。 聚丙烯腈母材纖維在空氣中加熱,促使脫氫反應而造成雙鍵 之形成, 最後生成穩定之梯形分子結構。 這穩定化過程主要受 ( 1) 在纖維上張力之變化(2)熱處理溫度(3)處理中之媒介(4) 前穩定化處理等之影響。一般而言,在穩定化過程中,聚丙烯腈 之附屬氰基群,首先交連成梯形高分子結構,此過程之起始反應 是藉由少量活性之共聚合物像 2-亞甲基丁二酸(Itaconic

acid)來催化。在穩定化過程中,氧分子亦參與梯形高分子反
應,因而出現幾個可能之梯形分子結構。聚丙烯腈纖維在經過環 化反應及穩定化後,導致纖維大量之收縮,由於在長軸方向受到 機械拉力而阻止收縮發生,但纖維之直徑因而減小。

4.2 聚丙烯腈母材纖維之碳化:
聚丙烯腈纖維在碳化過程中,已穩定化母材纖維碳纖維,其 熱處理係在鈍氣及很小張力,溫度高至 1500℃之下進行的。在 這熱處理過程中所有的元素,除了碳元素外,幾乎以副產物之形 式被消去而形成像石墨之結構。

在碳化過程中,加熱速度在兩個區域內控制甚嚴苛,第一個區域 溫度高至 600℃, 加熱速度要很低 (小於 5℃/min) , 質傳 (Mass Transfer)要緩慢,因在高的加熱速度下,快速之質傳會造成纖 維因細孔之形成,使得表面不規則性。這區域控制嚴格之另一原 因是此區域進行大部分化學反應及揮發性產物之蒸發, 水氣蒸發 是因梯形高分子鏈含氧群進行交鏈反應之故。第二個區域,溫度 介於 600℃到 1500℃之間,使用較大的加熱速度係為了要減少 纖維因放熱反應或副產物之揮發造成可能之傷害。這些反應在 600℃下大部分已完成,在這加熱區域包含 N2、HCN 及 H2 等氣 體產生,H2 及 HCN 係高分子鏈分子間交連反應之產物,氫氣之 釋出係去氫反應之結果。

已穩定化分子鏈分子拉伸結構, 聚丙烯腈纖維之纖維束在鈍氣中 進行熱分解,非碳元素以揮發物(例如 H2O、HCN、NH3、CO、 CO2、NH3 等)被除去而得到單純碳纖維,其產率大概是原來聚 丙烯腈母材纖維之 50%。碳化過程初期加熱速度相當慢,故揮 發物之釋出並不損壞到纖維,大部分之揮發物在低於 1000℃下 皆已逃掉,僅剩少數氮元素(~6%)殘留著。 在碳化反應初期, 溫度在 400~500℃範圍, 存在於已氧化聚丙烯 腈內之氫氧基開始進行交連縮合反應, 它能幫助已環化部分之重 組與接合,此交連反應可固定高分子之結構,剩下之線性結構部 分一則變成環化或進行鏈分裂而釋出氣體產物。 這些已環化結構 進行去氫反應,並在側面方向開始連接,產生側面方向由氮原子 鍵結而成之三個六邊形組成之類石墨結構。

圖 3 聚丙烯腈裂解期間所釋放出之氣體

圖 4 已穩定化之 PAN 纖維經由含氧基進行分子間交連反應

圖 5 從 PAN 製備碳纖維之概略圖

已氧化之聚丙烯腈纖維在高產率下,製得高功能之碳纖維,原因 是此時之聚丙烯腈已具芳香族之特性, 此芳香族之特性可阻礙主 鍵之碳鏈在擴展時分離。聚丙烯腈纖維在鈍氣下進行穩定化,在 低溫時芳香族化並不容易發生, 因此導致在高溫時使得碳鏈分離 而造成碳纖維低的產率及較差之機械強度。 碳纖維之產能可藉已 氧化之聚丙烯腈纖維, 在 HCl 氣體下進行碳化反應, 或利用在乾 淨抽絲房紡絲所得之聚丙烯腈纖維來提昇。 碳化反應在 HCl 氣體 下進行, 氮元素以 NH3 之副產物之消去反應, 而減少 HCN 之量, 它同時有一明顯的去氫作用及氧元素以水蒸氣之釋出之消去反 應, 碳之產率因而增加。 在乾淨空氣中進行聚丙烯腈纖維之紡絲, 使得纖維表面缺陷減少, 因而後續碳化所得之碳纖維有較好的機 械性質。

4.3 聚丙烯腈母材纖維之石墨化:
聚丙烯腈纖維經碳化反應後已具有小微晶之結構, 增加微晶之尺 寸使得碳纖維結晶更完整, 但微晶之規則排列則需藉助於纖維在 1500℃以上之熱處理。此熱處理過程係在張力鈍氣下加熱碳纖 維,溫度控制在 2000-2500℃,甚至高至 3000℃。不用氮氣作

為鈍氣媒介之原因,係超過 2000℃以上氮會變成活性分子且與 碳纖維反應成為氰基( )。當碳纖維之溫度在 1800-3000℃ 時,利用電流經過碳纖維來提高結晶之完美性。碳纖維在熱處理 期間, 利用某些金屬氧化物像氧化鉻 (CrO) 、 二氧化錳 (MnO2) 、 氧化釩(VO)和氧化鉬(MoO)當做催化劑來提昇微晶之成長。

碳纖維之溴化反應在強度上產生明顯之提昇作用, 硼蒸氣之加入 可增加石墨纖維之勁度, 我們相信硼原子不僅可增加石墨纖維之 結晶度,而石墨纖維內其作用像一個固態溶液硬化元素,因而阻 礙微晶之剪切變形而保持模數與強度之值, 碳纖維之楊氏模數已 被證實直接與最後熱處理溫度(HTT)有關。

圖 6 碳纖維碳化之拉伸強度與熱處理溫度(HTT)之關係

圖 7 碳纖維碳化之模數與熱處理溫度(H

PAN 碳纖維
1 前言:

複合材料應用之層面既深且廣,足以影響人們之各個生活 面,但分析材料組成,複合材料能充分發揮其長處且展現各種特 性,追根究底在複合材料之強化物(Reinforcement)。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。 今日之碳纖維和 玻璃纖維在各自領域上獨領風騷,兩者之重要性不必再贅述,本 書將複合材料強化物之三個主要材料–碳纖維、 玻璃纖維及克拉 纖維之製造方式,纖維性質及應用詳細說明,至於一些特殊纖維 亦另闢專篇,簡單扼要的敘述,使讀者能概略的瞭解這些特殊纖 維之特性及用途。

強化物顧名思義即在補強材料之強度、勁度,或某特定功 能,其作用譬如人體之骨骼,建築物之鋼筋等具支撐人體肌肉或 強化房子之功能,且忍受外界所加諸之負載。它可改變原材之機 械性質、物理性質或化學性質等,其改變量之大小與所使用之強 化物種類、類型及用量有關,此類型包括纖維是連續性、非連續 性、短纖維、顆粒或鬚晶等,用量少則 10~20%,多則 60~70%。

強化物之加入,在機械強度之提昇大致皆有正面之效果,且其效 應隨著纖維加入量之增加而增加。

複合材料為了達到強化效果,其纖維常被製成單向(1D), 二維(2D)、或三維(3D)之織物,視零件實際之需要。在一般 結構件,單向或二維纖維織物即可達到強化的目的,但對於特殊 用途之結構件有時需用 3–維或多維織物才能達到零件之最終目 的。

2 強化物之種類及型態:

塑膠材料摻入強化物之目的,除了提昇材料之機械強度 外,亦希望能增加其特殊之功能,例如以玻璃纖維強化環氧樹脂 可增加環氧樹脂之耐衝擊性,以碳纖維加入尼龍樹脂,可增強其 導電性及耐磨性。 這些強化物為有機材料、 無機材料, 或為粉末、 顆粒、短纖維、長纖維、纖維蓆或纖維編織物等。

圖 1 強化物之種類

圖 2 強化物之強化型態

3 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。

3.1 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 模數 100~200 MPa 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。

3.2 碳纖維之生產公司:

碳纖維生產之發源地在日本, 故早期日本為碳纖維生產 之主要國家,其產量佔全世界 60%以上,相反地美國為碳纖維 主要之消費國,全世界約 60%碳纖維為美國所用。美國因應本 國在軍事及太空應用之大量需求, 許多大公司亦相繼投入生產行 列,目前由於碳纖維在各行各業之需要,全世界許多國家皆競相 投資或擴充產能。 中華民國台灣塑膠公司在 1986 年自美國 Hitco 公司買得碳纖維生產技術, 由自己公司生產之 PAN 纖維束燒成碳 纖維,提供國內生產球拍、釣魚桿及 CFRP 產品之用。這些生產 碳纖維之公司有的因應市場需要而擴充產能,或合併其他公司, 有的公司因經營不善而宣佈停產。 國際間之經濟狀況及市場變化 萬千,有幸存留下來的,或繼續經營者,莫不提高碳纖維品質, 尤其是向高強度高模數碳纖維為生產之目標。 表 1 為全世界生產 碳纖維之公司一覽表。

4 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。

4.1 聚丙烯腈母材纖維之穩定化:

將聚丙烯腈母材纖維燒成高強度之碳纖維, 中間過程必須經過一 個重要的步驟即穩定化(stabilization),這處理過程之適當 性影響後續燒結最終成品之碳纖維機械性質甚巨,故不得不慎 重。穩定化過程係聚丙烯腈母材纖維在氧氣環境下;低溫狀況施 以一定之張力做熱處理,這時聚丙烯腈纖維之化學結構發生變 化,由原線性分子結構轉變為環狀之分子結構,其熔點亦隨著分 子結構之不同而逐漸升高。 穩定化過程通常是聚丙烯腈纖維在氧 化氣流下空氣溫度範圍從 180℃到 300℃,控制加熱速度,一般 為 1~2℃/min,穩定化過程主要有三種反應:

(1)環化反應(Cyclization)。 (2)脫氫反應(Dehydrogenation)。 (3)氧化反應。

聚丙烯腈纖維進行穩定化過程中, 纖維顏色一直在改變, 由黃色、 棕色、以至於最後之黑色。這種顏色變化象徵纖維內分子結構之 改變,由聚烯(Polyene)結構到形成碳氮雙鍵(C=N)縮環之結 構,即所謂梯形結構。這些反應過程中皆為放熱反應,脫氫及環 化反應之放熱量分別為-242.67KJ/mole 及-58KJ/mole。

聚丙烯腈母材纖維在空氣中加熱,促使脫氫反應而造成雙鍵 之形成, 最後生成穩定之梯形分子結構。 這穩定化過程主要受 ( 1) 在纖維上張力之變化(2)熱處理溫度(3)處理中之媒介(4) 前穩定化處理等之影響。一般而言,在穩定化過程中,聚丙烯腈 之附屬氰基群,首先交連成梯形高分子結構,此過程之起始反應 是藉由少量活性之共聚合物像 2-亞甲基丁二酸 (Itaconic acid) 來催化。在穩定化過程中,氧分子亦參與梯形高分子反應,因而 出現幾個可能之梯形分子結構。 聚丙烯腈纖維在經過環化反應及 穩定化後,導致纖維大量之收縮,由於在長軸方向受到機械拉力 而阻止收縮發生,但纖維之直徑因而減小。

4.2 聚丙烯腈母材纖維之碳化:

聚丙烯腈纖維在碳化過程中,已穩定化母材纖維碳纖維,其熱處 理係在鈍氣及很小張力,溫度高至 1500℃之下進行的。在這熱 處理過程中所有的元素,除了碳元素外,幾乎以副產物之形式被 消去而形成像石墨之結構。

在碳化過程中,加熱速度在兩個區域內控制甚嚴苛,第一個區域 溫度高至 600℃, 加熱速度要很低 (小於 5℃/min) , 質傳 (Mass Transfer)要緩慢,因在高的加熱速度下,快速之質傳會造成纖 維因細孔之形成,使得表面不規則性。這區域控制嚴格之另一原 因是此區域進行大部分化學反應及揮發性產物之蒸發, 水氣蒸發 是因梯形高分子鏈含氧群進行交鏈反應之故。第二個區域,溫度 介於 600℃到 1500℃之間,使用較大的加熱速度係為了要減少 纖維因放熱反應或副產物之揮發造成可能之傷害。這些反應在 600℃下大部分已完成,在這加熱區域包含 N2、HCN 及 H2 等氣 體產生,H2 及 HCN 係高分子鏈分子間交連反應之產物,氫氣之 釋出係去氫反應之結果。

已穩定化分子鏈分子拉伸結構, 聚丙烯腈纖維之纖維束在鈍氣中 進行熱分解,非碳元素以揮發物(例如 H2O、HCN、NH3、CO、 CO2、NH3 等)被除去而得到單純碳纖維,其產率大概是原來聚 丙烯腈母材纖維之 50%。碳化過程初期加熱速度相當慢,故揮 發物之釋出並不損壞到纖維,大部分之揮發物在低於 1000℃下 皆已逃掉,僅剩少數氮元素(~6%)殘留著。

在碳化反應初期, 溫度在 400~500℃範圍, 存在於已氧化聚丙烯 腈內之氫氧基開始進行交連縮合反應, 它能幫助已環化部分之重 組與接合,此交連反應可固定高分子之結構,剩下之線性結構部 分一則變成環化或進行鏈分裂而釋出氣體產物。 這些已環化結構 進行去氫反應,並在側面方向開始連接,產生側面方向由氮原子 鍵結而成之三個六邊形組成之類石墨結構。

圖 3 聚丙烯腈裂解期間所釋放出之氣體

圖 4 已穩定化之 PAN 纖維經由含氧基進行分子間交連反應

圖 5 從 PAN 製備碳纖維之概略圖

已氧化之聚丙烯腈纖維在高產率下,製得高功能之碳纖維,原因 是此時之聚丙烯腈已具芳香族之特性, 此芳香族之特性可阻礙主 鍵之碳鏈在擴展時分離。聚丙烯腈纖維在鈍氣下進行穩定化,在 低溫時芳香族化並不容易發生, 因此導致在高溫時使得碳鏈分離 而造成碳纖維低的產率及較差之機械強度。 碳纖維之產能可藉已 氧化之聚丙烯腈纖維, 在 HCl 氣體下進行碳化反應, 或利用在乾 淨抽絲房紡絲所得之聚丙烯腈纖維來提昇。 碳化反應在 HCl 氣體 下進行, 氮元素以 NH3 之副產物之消去反應, 而減少 HCN 之量, 它同時有一明顯的去氫作用及氧元素以水蒸氣之釋出之消去反 應, 碳之產率因而增加。 在乾淨空氣中進行聚丙烯腈纖維之紡絲, 使得纖維表面缺陷減少, 因而後續碳化所得之碳纖維有較好的機 械性質。

4.3 聚丙烯腈母材纖維之石墨化:
聚丙烯腈纖維經碳化反應後已具有小微晶之結構, 增加微晶之尺 寸使得碳纖維結晶更完整, 但微晶之規則排列則需藉助於纖維在

1500℃以上之熱處理。此熱處理過程係在張力鈍氣下加熱碳纖 維,溫度控制在 2000-2500℃,甚至高至 3000℃。不用氮氣作 為鈍氣媒介之原因,係超過 2000℃以上氮會變成活性分子且與 碳纖維反應成為氰基( )。當碳纖維之溫度在 1800-3000℃ 時,利用電流經過碳纖維來提高結晶之完美性。碳纖維在熱處理 期間, 利用某些金屬氧化物像氧化鉻 (CrO) 、 二氧化錳 (MnO2) 、 氧化釩(VO)和氧化鉬(MoO)當做催化劑來提昇微晶之成長。

碳纖維之溴化反應在強度上產生明顯之提昇作用, 硼蒸氣之加入 可增加石墨纖維之勁度, 我們相信硼原子不僅可增加石墨纖維之 結晶度,而石墨纖維內其作用像一個固態溶液硬化元素,因而阻 礙微晶之剪切變形而保持模數與強度之值, 碳纖維之楊氏模數已 被證實直接與最後熱處理溫度(HTT)有關。

圖 6 碳纖維碳化之拉伸強度與熱處理溫度(HTT)之關係

圖 7 碳纖維碳化之模數與熱處理溫度(H


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