碳碳複合材料

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1、碳碳複合材料簡介碳/碳複合材料(carbon/carboncomposite,簡稱C/C)為碳纖維強化碳基材複合材料(carbonfiber-reinforcedcarbonmatrixcomposite)的簡稱，其中無論纖維或基材皆由單一碳材料(carbonaceousmaterial)所組成°碳纖維強化碳基材的碳/碳複合材料的優點包括高溫高彈性係數及強度、低密度、高熱及機械疲勞抵抗力等，在極高溫時(高達約2200°C)仍能維持優良的強度，目前尚無其它材料能出其右，多年來均為國防及航太工業尖端材料之一，例如火箭及飛彈噴嘴(nozzle)x太空梭(spaceshuttle)的鼻

2、尖(nosecone)及翼端(wingleadingedge)等部位皆須使用碳/碳複合材料。此外，由於碳/碳複合材料擁有高熱容量(heatcapacity)及可調整的熱傳導係數、自生潤滑(self-regenerativelubrication)及低磨耗等優點，碳/碳複合材料問世後即成為當代飛機煞車(aircraftbrake)材料的最佳選擇。碳/碳複合材料目前廣泛應用於軍用與民用飛機的煞車系統，如美國的太空梭以及F・14,F15,F-16,F-18,法國幻象2000等先進戰鬥機，以及許多商用飛機，如協和號、波音747、767,AirbusA300系列之煞車系統。除了飛機之外，

3、一級方程式賽車的離合器與煞車以及高速鐵路煞車系統也採用碳/碳複合材料。另外，由於碳/碳複合材料在人體組織、血液及骨骼中有很好的相容性及抗血栓等特性，也成為生醫材料的另一選擇，例如人造心ffil(artificalheart)、人造關節(artificaljoint)及人造骨等。碳/碳複合材料之發展與特性碳/碳複合材料是以碳纖維強化碳基材的複合材料，雖然兩種成份皆是相同素，但無論在製程或性質表現上卻極其複雜,主要原因乃是每個組成的形態是由碳到石墨做不同的配置。由於碳纖維的強化使碳材料的許多特性能加以顯現，且因其特殊的碳原子機械性質為所有碳材料中表現最為強韌者。與石墨一樣，碳/碳複

4、合材料無明顯熔點（常壓下約在3650°C昇華），在非氧化性氣氛下，即使在2500°C以上的高溫下，也可以當作結構材料使用，是其它材料所無法達到的。碳/碳複合材料同時具有低密度之特性，更是表現在高比強度（強度/密度）及高比楊氏模數（楊氏模數/密度）方面，因此極受到航空及太空工業的重視O除此，與石墨一樣，碳/碳複合材料在電及熱的傳導性方面是藉由基面上P電子及聲子的傳達，其傳導性與材料本身的強異方性有關（尤其是碳纖維最為明顯）而可加以調整，且同樣地可利用改變縄維排列方式加以控制其熱膨脹係數，對於元件尺寸安定性有很大的幫助。碳/碳複合材料的應用三十多年前，碳/碳複合材料的發展，主要是基

5、於太空科技預期的需要。由於太空船往返大氣層時，船身需要承受相當高的溫度及熱應力，同時需能夠保持太空船本身結構的完整性，因此發展出高溫高強度的碳/碳複合材料。實際上，碳/碳複合材料首次實用化乃是用於太空梭的結構件上，包括了鼻尖及翼端部位。一般預測在往返大氣層時，鼻尖及翼端分別承受的溫度約2760°C及193O°c,基於此項要求，具有高溫強度及輕量化特性的碳/碳複合材料，成為此部位結構材料的最佳選擇，除此，碳/碳複合材料也廣泛應用在火箭、飛彈噴嘴，噴射引擎零件，高溫活塞等方面。同時因為碳/碳具有高溫高強度及楊氏模數、低密度、高熱傳導係數及熱含量、高熱及機械疲勞抵抗能力、自生潤滑（s

6、elf-regenerativelubrication）、低磨耗等優點，目前約60%以上的碳/碳被應用於飛機的煞車系統。隨著飛機工業不斷發展及改進，在材料的選擇上必須特別重視重量減輕及其使用壽命等，同時因為飛機煞車材料在於制動過程中吸收相當高的能量（動能）轉變成熱能，其材料必須承受相當高的溫度（可能高於2000°C以上，視煞車情況而定），所以傳統的金屬煞車材料如銅或鋼鐵材料將無法繼續有效使用。從質輕高耐熱震tt（thermalshock）.熱容量以及其其使用壽命等觀點而言，碳/碳複合材料確是做為飛機煞車材料的最佳選擇。碳纖維的種類、製程及性質碳纖維的使用最早記載於1878年當時

7、ThomasEdison將一些纖維質（如棉花.竹片）由於纖維型態之材料（特別對於非延性（nomductile）材料）的尺寸效應（sizeeffect）（較小直徑材料包含缺陷的可能性也較小），通常其強度較大尺寸塊狀（bulk）相同材料為高。從複合材料力學觀點來看,纖維必需具有高長度比率（aspectratio）,才可有效經由纖維•基材介面剪應力效應傳遞承載荷重而提高材料機械性質，因此，長、短碳纖維因具有其特殊的優異性質（如質輕..等），已成為眾多纖維材料中的姣姣者，目前已商業化的碳纖維種類雖多