簡介
碳素纖維碳素纖維又稱碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）。在國際上被譽為“黑色黃金”，它繼石器和鋼鐵等金屬後，被國際上稱之為“第三代材料”，因為用碳纖維製成的複合材料具有極高的強度，且超輕、耐高溫高壓。
特性
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、導電、導熱及耐腐蝕等，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，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。
側圖為 碳纖維布.
由來
1880年 美國愛迪生首先將竹子纖維碳化絲，作為電燈泡內之發光燈絲，開啟了碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）之紀元。碳纖維用在結構材料，首先問世者，則以美國Union Carbide公司（U.C.C.）為代表，並於1959年將嫘縈纖維為原料，經過數千百度之高溫碳化後，得到彈性率約40GPa，強度約為0.7GPa之碳纖維；爾後，1965年該公司又用相同原料於3000℃高溫下延伸，開發出絲狀高彈性率石墨化纖維，彈性率約500GPa，強度約為2.8GPa。
另外，於 日本大坂工業技術試驗所之進藤博士，則以Polyacrylonitrile（簡稱PAN）聚丙烯腈為原料，經過氧化與數千度之碳化工程後，得到彈性率為160GPa，強度為0.7GPa之碳纖維。1962年日本碳化公司（Nippon Carbon Co.）則用PAN為原料，製得低彈性係數（L.M.）之碳纖維。東麗公司亦以PAN纖維為原料，開發了高強度之CF，彈性率約為230GPa，強度約為2.8GPa，並於1966年起有每月量產1噸之規模；同時亦開發了碳化溫度2000℃以上之高彈性率CF，彈性率約400GPa，強度約為2.0GPa。於1965年， 群馬大學大谷教授，利用加熱氯乙烯（Vinyl Chloride）得到之瀝青（Pitch），經過熔融紡絲、不融化與碳化工程處理後，得到普通級碳纖維；大谷教授亦可利用木質素（Lignin）為原料製作碳纖維。
碳纖維之需求量雖逐漸擴大，但1991年以後冷戰結束後，軍事用途之使用量萎縮，復因泡沫經濟與景氣蕭條，供需失去平衡，產業受到衝擊。然而，美國波音公司新銳機型B777之生產，加上土木、建築、汽車與複合材料之擴大套用，碳纖維產業逐漸緩步成長中。
種類
經高溫處理後，其含碳量超過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、處理溫度與形狀來分類。若依原料可分為纖維素纖維繫之嫘縈（Rayon）系與木質（Lignin）系；聚丙烯腈（Polyacrylonitrile）系；瀝青（Pitch）系；酚樹脂系與氣相碳纖系等六種。若依特性則分為普通碳纖維；高強度高模數碳纖維與活性碳纖維等三種。普通碳纖維之強力在120㎏/㎜2以下，楊氏模數（Young掇 Modulus）在10000㎏/㎜2以下者稱之；高強度高模數者，則強力在150㎏/㎜2以上，模數在17000㎏/㎜2以上時稱之。
若依加工處理溫度分類時，則可分為耐炎質；碳素質與 石墨質等三種。耐炎質碳纖之處理加熱溫度為200～350℃，可供作電氣絕緣體；碳素質碳纖之處理加熱溫度為500～1500℃，可供電氣傳導性材料用；石墨質碳纖之處理加熱溫度在2000℃以上，除耐熱性與電氣傳導性提高外，亦具自我潤滑性。
若按碳纖維製品之形狀分類時，可分為棉狀短纖維；長絲狀連續纖維；纖維束（Tow）；織物；氈毯與編制長形物等。
研製
嫘縈系碳纖維
嫘縈纖維素纖維加熱處理時不會熔融，若在無氧狀態下的不活性氣體（Inert Gas）中加熱處理，則極易取得碳纖維。
聚丙烯腈系碳纖維
聚丙烯腈（PAN）系碳纖維之製造工程大致可分為 聚丙烯腈纖維之製備；安定化工程（耐炎化）；碳化工程；表面處理與上漿工程；石墨化工程等五個程式。
瀝青系碳纖維
原油經900℃以上之高溫提煉後的殘渣中，約含有95wt%之碳質，若以電解法去除其中之硫酸，再經水洗後可得純度極佳之瀝青（Pitch）。
氣相成長碳纖維
氣相成長碳纖維有基材上成長法與流體化觸媒成長法兩種。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於金屬微粒下方，形成碳纖維。為基材上成長法之簡圖，可知其間須餵入氫（H2）氣與苯（C6H6）等氣體。
活性碳纖維
目前商業化之活性碳的形態有粉末狀；顆粒狀與纖維狀等三種，其中粉末狀活性碳（Powdered Activated Carbon，簡稱PAC），大多由木屑製成，平均尺寸約為15～25μm；顆粒狀活性碳（Granular Activated Carbon，簡稱GAC），大致由煤、瀝青粉末製成，平均尺寸約為4～6㎜；纖維狀活性碳（Activated Carbon Fiber，簡稱ACF），則大多由PAN、Rayon、Pitch與Phenolic Resin等纖維製成，平均直徑約為7～15μm。
活性碳纖維之吸著性
活性碳纖維之特性，其吸著性依原料不同有所差異，其中以日本等國開發之Phenolic Resin系之效果較佳。在溶劑吸著之過程中，首先是表面質傳，再於孔洞內擴散，接著活性真吸附與多層吸附，最後形成毛細凝結，故活性碳纖維為一種優良之溶劑吸著材，甚至回收利用。同時對於空氣淨化、脫色、脫臭、醫療用衛生、防毒面具/口罩、電子材與各項污染防止過濾材等用途皆可廣泛利用。
結論
碳素纖維每年雖呈小幅成長，但仍具穩定之特殊固定市場性與用途需求性。碳素纖維之用途依國家不同而異，美國主要發展用於國防與 航天，而日本則用於運動休閒器材，在未來預期在 環保用途將會大幅成長。碳素纖維依產品設計與結合特殊他種材料會展開另一新紀元。
用途
用途 航天/船艦 工業/汽車 運動器材
國家及用途比例:
美國 74.40% 13.60% 12.10%
日本 4.00% 33.60% 62.40%
碳素纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為 增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成複合材料。碳纖維增強的複合材料可用作飛機結構材料、電磁禁止除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用於製造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。
碳素纖維是軍民兩用新材料，屬於技術密集型和政治敏感的關鍵材料。以前，以美國為首的 巴黎統籌委員會(COCOM)， 對當時的 社會主義國家實行禁運封鎖政策，1994年3月，COCOM雖然已解散，但禁運封鎖的陰影仍籠罩在上空，先進的碳纖維技術仍引不進來，特別是高性能PAN基原絲技術，即使我國進入WTO，形勢也不會發生大的變化。因此，除了國人繼續自力更生髮展碳纖維工業外，別無其它選擇。因此，國外尤其是碳纖維生產技術領先的日韓等國對 中國的碳纖維材料及製品的出口一直保持相當謹慎的態度，只有為數很少的中國企業能夠與其建立合作關係，擁有其產品的進口渠道。
目前世界碳素纖維產量達到4萬噸/年以上，全世界主要是日本東麗、 東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及 德國SGL西格里集團， 韓國泰光產業，我國 台灣省的台塑集團，等少數單位掌握了碳纖維生產的核心技術，並且有規模化大生產。目前在祖國大陸還沒有一個年產100t的規模化碳纖維工廠，大多還處於中試放大階段。值得一提的是我國台灣省的台塑集團，在80代年中期從美國Hitco公司引進百噸級碳纖維生產線，經消化、吸收和配套後得到迅速發展，台塑產量增加很快，但碳纖維質量的提高幅度並不大。
我國對碳素纖維的研究開始於20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢，但也取得了一定成績。進入21世紀以來發展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進了500噸/年原絲、200噸/年PAN基碳纖維(只有東麗碳纖維T300水平)，使我國碳纖維工業進入了產業化。隨後，一些廠家相繼加入碳纖維生產行列。據不完全統計，目前，我國已有12家生產規模大小不一(5～800噸/年)的PAN基碳纖維生產廠家，合計生產能力為1310噸/年，產品規格為1K、3K、6K、12K。但由於一些企業沒有原絲可燒，實際國內碳纖維的總產量不足40噸/年，而且產品質量不太穩定，大多數達不到T300水平。可喜的是從2000年開始我國碳纖維向技術多元化發展，放棄了原來的硝酸法原絲製造技術，採用以 二甲基亞碸為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。目前利用自主技術研製的少數國產T300、T700碳纖維產品已經達到國際同類產品水平。
隨著近年來我國對碳素纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為國家化纖行業重點扶持的新產品，成為國內新材料行業研發的熱點。據不完全統計，目前擬建和在建的碳纖維生產企業有11家，合計生產能力為原絲7100噸/年、碳纖維1560噸/年，其中在建企業為4家，合計生產能力為原絲1100噸/年、碳纖維470噸/年。
儘管我國碳纖維生產發展緩慢，而消費量卻一直在逐漸增加，市場需求旺盛。主要用途包括 體育器材、一般工業和航空航天等，其中體育休閒用品的使用量最大，占消費量的約80%～90%。我國碳纖維的需求量已超過3000噸/年，2010年將突破5000噸/年。主要套用領域為：成熟市場有航空航天及國防領域(飛機、火箭、飛彈、衛星、 雷達等)和體育休閒用品( 高爾夫球桿、漁具、 網球拍、 羽毛球拍、箭桿、 腳踏車、賽艇等)；新興市場有 增強塑膠、壓力容器、建築加固、 風力發電、摩擦材料、鑽井平台等；待開發市場有汽車、醫療器械、新能源等。
我國 碳纖維複合材料的研製開始於20世紀70年代中期，經過近40年的發展，已取得了長足進展，在航天主導產品(彈、箭、星、船)上得到了廣泛套用。近年來，我國體育休閒用品及壓力容器等領域對碳纖維的需求迅速增長， 航空航天技術的快速發展急需高性能碳纖維及其複合材料等，市場需求更加旺盛。
為了滿足國內市場對碳纖維不斷增長的需求，應儘快實現我國碳纖維工業的國產化和規模化。為此，必須加快技術創新，掌握核心技術；加速原絲技術開發，研製高純度原絲；強化套用研究和市場開發，進一步擴大套用領域。碳纖維在我國大有發展前途，但應總結滌綸等化纖發展的經驗教訓，避免盲目發展，實現健康發展。
為了大型飛機的製造和航空航天事業的發展，我國還必須儘快地實現高強中模型碳纖維的產業化。但是，因為高性能碳纖維是發展航空航天等尖端技術必不可少的材料，長期受到以美國為首的巴黎統籌委員會的封鎖。雖然“ 巴統”在1994年3月解散了，但禁運的陰影仍然存在。即使對我國解除了禁運，開始也只能是通用級碳纖維，而不會向我們出售高性能碳纖維技術和設備。因此，發展高性能碳纖維必須要靠我們自己。我國 化學纖維工業“十一·五”發展規劃中提出了“從以增加數量為主轉向大力發展高新技術纖維”，特別是把事關國家產業安全的高新技術纖維材料作為重中之重，而且碳纖維被列為首位，是國家迫切需要短期內突破的高新技術纖維品種，為我國碳纖維的發展創造了條件，我們要抓住這一機遇，自力更生、努力創新，發展具有自己智慧財產權的碳纖維，以滿足不斷增長的市場需求。國家“863 計畫”以及有關部委都在關心我國碳纖維工業的發展及其產業化步伐，並給予強有力的支持，許多材料專家也扎紮實實的做了許多工作。“十一五”期間，我國又啟動了相關“973計畫”。相信“十一五”將是我國碳纖維工業產業化的黃金時代。
