高模數碳纖維市場與應用

刊登日期:2013/1/4
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高模數碳纖維介紹
碳纖維最早是由1880年竹碳纖維開始,隨空間技術發展,到1960年代,日本進藤昭男發明PAN系碳纖維後獲得迅速發展。碳纖維重量僅鋼鐵的五分之一、鋁的二分之一,但強度卻是鐵的10倍。此外,還具耐腐蝕、導電、導熱、傳熱、低比重、高抗張強度、高模數等優異特性,並具有纖維般的柔曲性,易於編織加工及纏繞成型。

碳纖維屬於重要戰略物資,目前全世界有能力生產高規格碳纖維的廠商均位於日本,屬於高度寡占的市場,其中又以東麗公司(Toray)為翹楚。圖一為東麗公司產品規格,碳纖維主要以強度(代表材料可承受之最大應力)及模數(日本稱彈性率,代表材料之剛性,抵抗變形的能力)做為等級的區分,越高強度或越高模數代表等級越高,價格也隨之上升。目前業界最普及使用的T700產品屬高強度碳纖維,強度為4.9 GPa,模數為230 GPa,俗稱為24噸級碳纖,屬於低模數碳纖維。而Toray公司的M系列及MJ系列,如M30、M40、M60便是屬於中高模數碳纖維,模數為270~560 GPa,俗稱30噸、40噸、60噸碳纖維。目前大多數碳纖維製造商仍只停留在製作24噸級碳纖維產品,尚未跨入中高階產品。

一般以聚丙烯為原料製造PAN碳纖維的流程如下:聚丙烯原料(抽絲)→穩定化/預氧化工程(200~300˚C,空氣中氧化時間10~20小時)→碳化工程(1,000~1,400˚C,氮氣中加熱時間2小時以上)→石墨化工程(1,500~2,000˚C,氬氣中加熱時間0.5小時以上)→石墨化纖維。在高溫處理過程中,碳纖維分子將逐步聚合形成緊密層狀結構(圖二),石墨層間的間距越小,亦即c軸方向距離縮短,Van der Waals力的協同效應將使得結構的穩定性增強、碳纖維的剛性提升。


圖二、碳纖維分子結構示意

高模數碳纖維應用
目前複合材料的設計趨向大型化及輕量化,如何在更好的結構性能設計下減輕結構體重量,是複合材料產品升級的關鍵。目前的做法包括提升模擬設計技術(降低設計安全容忍度)、使用高剛性的碳纖維材料、改善複合材料製程技術。目前對設計端而言,最方便的便是採用高剛性的碳纖維材料,因為結構可以在安全容忍度內達到減重的效果,且不須調整複合材料製程。以日本為例,依輕量化、高性能化需求,未來十年內,評估最有機會大量採用碳纖維複合材料的應用面為家用車市場、太陽電池、大型風力發電機組及大型民航機。


圖五、中高模數碳纖維應用在熱塑型複合材料

國內碳纖複材產業的發展契機
目前國內複材產業包含上游的碳纖原料及樹脂原料、中游的Prepreg、編織布廠、下游的成型廠,以及末端消費系統、品牌應用商等(圖六),在運動產業的發展相當完整,要跨入其他產業如3C、風力葉片、工程領域等,以台灣過去多年深耕之技術實力並不難。但國內業者在中高階碳纖材料的取得上仍受日本廠商管控及價格偏高的限制,致使新世代的產品升級及轉型趨緩……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:王智永 / 永虹科技股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌313期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10817


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