碳纖維
【人與車科技展】東京R&D展出使用熱可塑性樹脂成型的CFRP部件
【日經BP社報導】
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| 圖：利用熱可塑性樹脂成型的CFRP部件。表面為PC，因此光澤度優良 |
東京R&D在“人與車科技展2008”上展出了使用熱可塑性樹脂成型的CFRP（碳纖維強化樹脂）部件。此前，CFRP部件一般使用熱硬化性的環氧樹脂成型，該公司採用熱可塑性樹脂，意在縮短成型週期、降低製造成本。
展出的部件是摩托車車架的擋板，長度約為30cm。平織的碳纖維與注射成型的PC（聚碳酸酯）樹脂合二為一。碳纖維為單層，與作結構部材相比，該公司更加重視利用“真正的”碳纖維作內外裝部件的裝飾。
這種裝飾部件大多是通過水壓轉印的方式，在樹脂上黏貼類似于碳纖維的薄膜。而真正的CFRP因為成本昂貴，並且因使用熱硬化性樹脂的成型時間長，不適合大量生產。
但是，此次開發的成型品的特點是，僅用幾分鐘即可完成注射成型，並且設置凸起和加強肋，提高了安裝自由度。只是，要在增強碳纖維與樹脂的附著度的同時，還要提高成型品的表面品質，為此下了不少功夫。
此次開發的成型法名為CIDI（CF Insert Double Injection），已取得了專利。其製程大致分為4道。這裡從外側的創新部分開始介紹。首先，準備透明PC板，以熱壓預成型製成最終形狀。接著，對碳 纖維進行相同的預成型。這時，在纖維中摻入一部分事先織入PC絲的碳纖維。由於碳纖維的彈性大，擠壓後會返回原狀。因此，通過融合PC絲，能夠使其接近最 終形狀。然後，把PC板和碳纖維的預成型品重疊，再次進行熱壓，製造預製件。這樣，PC在互相貼合的同時，也滲透到了碳纖維的縫隙之間。
最後，把預製件置入模具內，從內側注射黑色的PC。如果把碳纖維直接置入模具內成型，在注射壓的作用下，纖維將出現扭曲，而該方法事先把碳纖維與預製件合二為一，不存在此類問題。
目前，PC層和碳纖維的厚度分別為1mm和0.25mm。因為預製件的厚度為1mm，所以碳纖維內嵌0.25mm。由於射出成型時內側還將疊加1.3mm的樹脂，因此最終厚度為2.3mm。
今後，該公司準備精簡製程。根據部件形狀，碳纖維的預成型製程可能會被去掉。
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? 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
製造流程
AN-> PAN ->碳纖維
Taiwan International Securities Investment Consulting Corp.
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。
參考資料:
航翊科技股份有限公司-纏繞式碳纖曲柄組設計製造開發.
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告-熱硬化型樹脂在碳-碳複合材料製程中碳基面之規則化研究
工研院化工所纖維技術研究組 蕭弘毅副研究員、陳聯泰組長-極細碳纖維的開發及應用
金鼎證券投資顧問股份有限公司-碳纖維簡介,研究部 張碩杰
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