微波技術在碳纖與碳纖複材製作之應用

刊登日期:2011/1/18
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微波處理是利用微波與材料的耦合作用產生高溫,進而進行各項製程之技術,其具有反應快、節能、選擇性加熱、快速高溫等特色。目前世界各國對節能減碳議題的關注日益提升,微波屬於二次能源應用,相較之下較為潔淨且有效率,較傳統加熱有許多的優勢和特點,並可創造技術的差異化。碳纖維及相關產品已發展數十年,其優點早已被確認,但因成本因素而遲遲無法大量使用於民間工業,微波加熱技術應用於碳纖,具快速、節能、高效化特色,將為碳纖相關產品創造可觀之利潤空間,加速工業產品的大量導入,創造更多的國際優勢。

微波應用於碳纖維相關技術
3. 微波加熱碳化的原理
微波加熱與傳統式加熱爐的差異性在於其熱的產生方式不同,如圖五所示。微波加熱反應最主要是利用電磁波轉變成熱能,使所需要的物質達到快速加熱的效果。微波可以引發離子的遷移及偶極矩(Dipole)的轉動,分子偶極距隨著微波磁場的高速振動而快速旋轉,旋轉時因分子摩擦所產生的熱能而使分子溫度升高。使物質與微波的偶合能力除了受制於微波的輸出功率外,也取決於物質本身的性質,一般是由電損、介電損耗、磁損及共振頻率等決定其發熱特性。所以微波對物質的加熱方式是從物質分子本身開始的,此方式能將能量藉由空間均勻且迅速的穿透物質,並從物質內部加熱減少熱梯度,進而達到減少製程時間與節省能源的目的。


圖五、傳統加熱碳化與微波碳化差異

4. 微波技術應用於碳纖維的製作
從2006年開始,工研院材化所已開發利用微波高頻率電場的非接觸感應加熱方式,利用特殊微波吸收設計,對PAN預氧化纖維進行快速預加熱,在微波加熱系統中,其升溫速率可達20°C/秒、微波加熱高溫可達2000°C,使預氧化纖維中的碳素直接被快速加熱,形成快速預碳化,整體加熱時間僅需傳統的1/20(圖七)。同時工研院之微波場設計,使能量大量集中聚焦在纖維,增加纖維與微波之耦合能力,加速纖維自體加熱速度,熱流透過纖維由內部往外快速傳遞,並藉由保溫達到石墨化溫度1000~3000°C 而形成石墨結晶。


圖七、微波碳化與傳統碳化纖維製程之差異

微波應用於複材固化相關技術
1. 高分子固化技術介紹
固化(Curing)為通過熱、光、輻照或化學添加劑等的作用,使熱固性樹脂或塑膠交聯的過程。樹脂基體從具有一定流動性的線性分子結構,轉變成不熔的網狀立體分子結構,並將增強體緊密膠結在一起,形成一種新的獨特性能之複合材料。以碳纖維或石墨纖維及其製品增強的樹脂基複合材料稱為碳纖維增強樹脂複合材料CFRC(Carbon Fiber Reinforced Resin Matrix Composite),是目前應用最多的一種先進複合材料。

3. 微波固化技術
微波應用在複合材料上是利用多種材料間的介電損失特性不同,與微波耦合程度的不同。當易吸收微波的材料吸收微波能量發熱後,熱傳至不易吸收微波的材料時,首先會在此兩種材料的界面發生反應,大量而局部的熱同時產生在材料界面,因此促進表面的反應生成。採用微波固化樹脂的優點有降低控制成本及機具成本、節省成型的時間、增加產量、更均勻的固化、增加複材之機械性能…以上內容為重點摘錄,如欲詳細全文請見原文

作者:劉怡彣、王智永/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌289期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9080


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