碳纖維強化聚合物

碳纖維強化聚合物

碳纖維強化聚合物（英語：carbon fiber reinforced polymer，CFRP），又稱為「碳纖維強化塑膠｣（carbon fiber reinforced plastic）或「碳纖維強化熱塑性塑膠｣（carbon fiber reinforced thermoplastic）等，常簡稱為CFRP、CRP、CFRTP等，是一種含有碳纖維的纖維強化塑膠，其特性為強度高且質量輕。雖然碳纖維強化聚合物製造昂貴，但被廣泛應用於比強度和剛性需求高的產業中，如航空、汽車、土木工程、運動器材等等。 或現在有個別公司考慮以其物料代替現時玻璃車窗。

目录

概述

碳纖維強化聚合物這種複合材料有質輕強固特性，是航太領域、頂級賽車愛用的材料之一，然而製程繁複耗時昂貴，因此應用在大眾量產商品的可能性相當低。

碳纖維顧名思義就是純由碳構成的微小纖維，單一一根碳纖維直徑約 5~8 微米（㎛，萬分之一公分），從原子規模角度來看，碳纖維是一層層六邊形碳原子排列（相當於石墨烯薄片）堆疊起來，結構讓碳纖維具超高強度重量卻相當輕。一般會將幾千條基本的碳纖維組成一根碳纖維束。

碳纖維雖然本身有超高強度特性，對和纖維束同方向有很強抗拉力，若垂直施力，就像一條線一樣會歪曲，為了解決這問題，碳纖維束通常必須編起來或做成複合材料，例如用碳纖維束以各種不同方向排列，然後用環氧樹脂黏合，固化後定型，這樣碳纖維在硬化的樹脂基質裡就不會歪曲移動，成為強固質輕的堅硬材料，這就是碳纖維強化聚合物，廣泛應用於航太、汽車、土木工程、運動器材等領域。

特性

碳纖維強化聚合物是一種複合材料，由基質和強化材等兩部分組成。其中，碳纖維是強化材，提供複合材料的機械強度；而基質則通常是聚合物樹脂（如環氧樹脂），用於黏合強化材。因此，碳纖維強化聚合物的材料性質由基質和強化材共同決定。強化材賦予其強度與剛度；分別通過應力和彈性模量來測量。與鋼鐵或鋁金屬等等向性材料不同，其強度性質具有方向性。碳纖維強化聚合物的性能取決於碳纖維的布局和碳纖維相對於聚合物的比例。

製造應用

聚合物基質一般採用熱固性樹脂（如環氧樹脂），但其他熱固性或熱塑性聚合物（如聚酯、乙烯基酯或尼龍等）也時常被應用。除碳纖維外，複合材料可能含有芳香聚醯胺（如克維拉或特瓦倫等）、金屬鋁、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）或玻璃纖維等。碳纖維強化聚合物的最終產品性能可能受到基質（樹脂）添加劑種類的影響，而最常見的添加劑是二氧化矽，而其他種類的添加劑如橡膠或碳奈米管等也被使用。

把碳纖維逐層鋪上（每層鋪上後要加上聚合物樹脂如環氧樹脂）模具，然後壓製成型。碳纖維強化聚合物應用廣泛如：公路自行車，航太工業以及汽車製造業。

缺點

碳纖維強化聚合物的缺點是製作往往需要層層疊上碳纖維、塗上環氧樹脂黏合，製品形狀必須層層堆塑，最終在模具裡緊緊夾住等待固化，相當耗費人工與時間，使碳纖維製品成本居高不下，產能與良率也不容易提升。若以質輕的碳纖維強化聚合物打造汽車，有助讓汽車因上層結構減輕而重心更低，行駛更穩定，減少車重也能提升汽車的油耗效率，並讓加速更快，剎車也更快，操控更靈敏。要將碳纖維強化聚合物引進大眾量產商品，製造流程一定要有突破性改變。

尋求突破

日產汽車Nissan改革碳纖維強化聚合物製程，研發做法不像過去一層層疊上黏合，而是先把碳纖維編織成特定排列，留有足夠孔隙讓環氧樹脂能用灌注方式注滿整個結構，如此一來，碳纖維強化聚合物的製造，就從過去層層疊合手工藝，轉變為相當於某種形式的鑄造：將上述碳纖維結構先填入空模的間隙，再灌入環氧樹脂，待環氧樹脂固化後，就直接成為所需形狀的碳纖維強化聚合物零組件 。

這種製造方式，最重要的是碳纖維結構的通透性，樹脂如何流動，能否順利流到結構的每部分，而不會留下氣泡，Nissan 日產汽車工程師發展模擬樹脂流動開發工具，並利用透明模具，以及內建溫度感測器，實地測試灌注樹脂時直接觀察樹脂的流動狀況，模擬測試成功，證明此製造方式確實可以用更短的開發與製造時間打造高品質的零組件。

日產汽車Nissan新製程技術發表處在實驗階段，創新鑄造式思維也為碳纖維強化聚合物的未來開啟許多可能性。促進碳纖維強化聚合物成為量產製品材料。該公司2020年9月發表碳纖維強化聚合物的生產新技術，開發時間可望減半，模造時間可望減少八成，開啟碳纖維材料進入家用通路。

影片

Carbon Fiber - The Material Of The Future?
碳纖維-未來的材料？