高爾夫球產業上、中、下游之關連性
台灣高爾夫球產業歷經三十年之發展，週邊支援產業完整，從專業製造廠、代工廠、協力廠商、耗材供應商及下游組裝工廠，形成一完整之製造體系。
一般而言，國內球頭廠商之製程分為射臘、修臘、浸漿、脫臘、 鑄造毛胚、初檢、加工、磨光、包裝等各製程，製程複雜且極耗費人力為球頭製造業特色之一，該行業上、中、下游之產業關聯如表1所示。
表1 產業上、中、下游之關聯性
上游產業
中游產業
下游產業
鋼鐵冶煉業
金屬製造業
碳纖維業
高爾夫球頭
球桿、球具製造業
高爾夫球用品大廠
明安國際位於高爾夫產業中游之位置(見圖1)。首先，明安在收到品牌夥伴(如Nike Golf、所羅門SALOMON、Taylor Made等)之需求後，對其供應商(Advanced Golf)下單，將所得之原、物料於明安進行加工，最後把最終產品送往各個銷售分點，提供消費者(end user)採購。
圖 1 休閒運動產品價值鏈
u 外銷導向，產品以OEM[1]及ODM[2]為主
市場上知名之高爾夫具均為歐、美、日等國之廠商，藉由數十年行銷經驗所累積強大的行銷網及雄厚的資金，不斷以強勢品牌形象強化消費者對品牌之忠誠度；國內高爾夫球具產業在自有品牌市場拓展不易情況下，其營運模式由早期的「OEM」發展至目前「OEM與ODM並重」，與國際大廠相互依存。
明安國際累積多年之製造經驗，不斷提升生產技術，並與工研院材料所長期合作，改良產品生產流程並引進自動化生產設備，如此，不僅縮短製程時間、降低製造成本，產品品質更深獲客戶肯定，全球第二大廠Taylor Made進貨的60%均由明安國際代工生產。
u 重視資訊技術之運用
該公司深知在愈形激烈之商業環境中，資訊技術(IT) 運用將扮演重要角色。因此，引進企業資源整合系統(ERP)，除了使管理邁向e 化，並使公司之資源運用更具效率，客戶亦可透過線上及時查詢訂單狀況。如圖 2所示，該公司目前更積極導入電子供應鍊，利用電子系統掌握原物料成品之供應狀況，藉此降低庫存，進而使該公司提昇產品至消費者(time to end user)、量產商品(time to volume)、新產品上市(time to market)、新技術開發(time to technology)之速度，並使該公司與其上下游廠商建立緊密之合作關係，以提升體系供應優勢，加強成本競爭優勢。
圖 2 全球資訊服務網路
u 材質之安全庫存量建立不易
該公司以承接國際大廠之OEM 及ODM 訂單為主，有些產品其材質及供料廠商由客戶直接指定，較不易建立安全庫存量。
u Co-Sports Chain計畫
n 協同供應鏈的挑戰
該公司與供應鏈體系廠商之協同合作面臨以下之問題：設計圖檔無法同步、開發資料管理困難、研發經驗傳承不易、交換資料檔格式尚未標準化、與供應商間缺乏有效工具分享資訊、無法即時給予明確承諾而延誤商機等；為了有效解決上述問題，明安於2004年與經濟部合作Co-Sports Chain(供應鏈與協同產品研發管理)。
n Co-Sports Chain(供應鏈與協同產品研發管理)計畫
Co-Sports Chain計畫即是明安為了從OEM走向ODM的電子化戰略。在研發新產品的時期，透過產品知識管理系統(PKM)平台，將研發資料建立知識關聯性與分類架構，讓相關人員可快速查詢以產品為中心的資料，並達到知識跨部門分享的目的，而透過電子化產品研發流程，可確保每一步驟之確實執行或審核，落實標準作業程序，保障產品品質，同時研發流程中產生的設計圖檔、表單、技術報告，透過公司單一資料庫，可維護版本一致性，及達成資料存取的同步化。將其營運模式建立如圖3所示。
圖 3 協同營運模式
以往明安與供應商間研發設計資料的交換機制為透過傳真、電子郵件，甚或工程師親自帶資料拜訪廠商的溝通模式，這種方式時常有版本不一致的情形，造成溝通成本過大及產品開發時程延長的缺點，在改用PKM平台後，可建立資料分享，版本與權限控管的機制，使不同的供應商及公司不同部門人員，只能看到與他相關的正確版本的資料，並利用線上會議系統與供應商直接對CAD圖形作細部討論，不僅可縮短產品開發時程，同時對於資料版本正確性的控管更大大的提昇。
在外包作業方面，從委外派工單產生發放、領料、出貨、點驗收等作業流程整合，使生管人員與外包商在同一平台互作資訊溝通。委外派工單由原有的電話及傳真通知，改為由系統自動發電子郵件通知，廠商到明安領料完成回廠後，立即可至網站作確認動作，可確認彼此的帳料是否符合，降低日後對帳時的誤差率。外包廠也可以在共用平台上輸入欲出貨的資料，並列印出貨單。這項作業減少明安內部要再重複輸入電腦的時間，以及所有的入貨單格式統一化，有利管理。外包廠也可隨時上線查詢出貨後的所有物料狀態、派工單的狀態，也可查詢出已發放、未發放的委外單。未發放的委外單可提供協力廠提早準備產能，迎接明安可能即將發出的委外單。
透過協同設計平台，提早參與國際主要客戶產品的先期設計，共同訂定產品規格，使設計出來的球桿，更貼近市場並降低開發的成本，成為台灣高爾夫球具產業由OEM轉型為ODM示範案例。圖4中說明，執行此計劃後，原先需透過繁瑣之溝通、協調才可達成之共識，皆可在此平台上完成。
圖 4 企業營運模式之作業流程
[1] OEM(Original Equipment Manufacturing)：最初被稱為原始設備製造，現在則被稱為專業代工。是指製造商依照企業客戶需求，生產符合客戶要求的產品，之後掛上企業客戶的商標品牌，由客戶自行銷售。因此，接獲訂單的製造商，所製造出的相似商品會掛上許多不同的品牌。
[2] ODM(Own Designing & Manufacturing)原始設計製造商：除了製造產品外，亦包含了為客戶設計產品在內。製造商依照企業客戶需求，為客戶設計、代工生產符合要求的產品，之後掛上企業客戶的商標品牌，由客戶自行銷售。
2008年1月17日 星期四
碳纖維製程
l 複合材料簡介
由於複合材料（Polymeric Composite）具有高強度、高勁度、質量輕、耐腐蝕以及抗磨損等特性，已運用於航太工業、汽車工業、船舶工業、醫療以及運動器材上。複合材料種類繁多，其中使用最久應用最廣者，當屬纖維強化高分子複合材料。在航太工業中，由於飛機必須抗拒重力才能在空中飛翔，因此減輕重量一直是飛機製造者追求的目標。飛機在起飛與降落時承受複雜的應力變化，在數小時或長時間的飛行中，同時暴露於嚴苛的環境變化下，因此飛機所使用的材料必須能得起外界的衝擊。而複合材料具有高比強度(specific strength）和高比勁度(specific stiffness)，減重效果良好，所以愈來愈廣泛的應用於飛機上。
複合材料顧名思義是由兩種以上的材質所組合而成，一般來講，是由基材(matrix)及補強材(reinforcements)所構成。基材是材料組成裏連續的材質，而補強材則為其中不連續的材質。通常補強材的機械強度要比基材高，才能夠補強基材，使合成的複合材料得到較佳的機械強度。然而，複合材料的性質並不同於其構成的任一材料，而是呈現另一種新的材料性質。
複合材料種類繁多，其中應用廣者，當屬纖維補強之高分子複合材料，而其基本的組成為纖維及高分子基材 。纖維是決定複合材料機械性質的主要因素，用以承受主要負載，限制微裂紋延伸，提高材料剛性與抗疲勞及潛變性能等，高分子一般分為熱塑性塑膠(thermoplastic)及熱固性塑膠(thermoset)兩大類，而纖維則有不同的材料及形式，常用的有玻璃纖維、碳纖維、Ｋevlar纖維、硼纖維、及碳化矽纖維幾種，形式上有短纖、連續長纖、編織纖維、及粉狀纖維等。在航太工業的應用上，因為對於材料強度的要求較高，所以在強化纖維的選擇上，通常以連續長纖為主。
常用纖維材料種類：
玻璃纖維
常用的玻璃纖維一般可分為E-glass、S-glass、C-glass三種：
E-glass:
為鈣-硼矽玻璃纖維，用於一般之補強塑膠，電氣性質甚為優良。
S-glass:
具高強度及高彈性係數，用於太空方面，與E-glass比較，比重小約2%，抗拉力約大35%，而彈性係數約大20%。
C-glass:
為鈉-鈉-硼矽玻璃纖維，耐化學品侵蝕的性質優良，適合於耐腐蝕性之纖維複合材料製品。
碳纖維
纖維其含碳量在99%以上者稱為石墨纖維，若在93%-95%之間，則稱為碳纖維。一般是在高溫下，以熱分解的方式將預形體(precursor)碳化成碳纖維。預形體的材質有嫘縈(rayon)、聚丙烯睛(PAN)纖維、及瀝青(pitch)，而PAN系列碳纖維為目前商業化的主流。
嫘縈(rayon)
最早用來製作碳纖維的原料。
聚丙烯睛(PAN)纖維
成本比嫘縈絲低，製作的碳纖維在抗拉強度可達 2.4GPa~3.1 GPa，彈性率 0.2~0.5 GPa。
瀝青(pitch)
若將等向性分子瀝青直接做成碳纖維，因分子不具方向性，所以機械性質低，用途有限。如果在 400℃~450℃ 的惰性氣體中長期處理，可將瀝青轉換成液晶瀝青(liquid crystal)的形態，因具有優勢的分子順向排列，可製成高性能的碳纖維。
Kevlar纖維
Kevlar為商業化的芳香聚醯銨纖維，為人造的有機纖維。具低密度、高強度、及低成本。一般而言與高分子基材的相容性不佳，因此製成的複合材料抗壓強度較低。常用的有 Kevlar 29 及 Kevlar 49。
硼纖維
幾乎所有的硼纖維都用來製作硼/環氧樹脂複合材料，硼纖維是用化學氣相沉積法將硼沉積於鎢絲上，鎢絲表面和硼反應後其直徑約17.5 mm，而硼纖維的直徑約 100 mm，如下圖所示。因為硼纖維的製作成本遠高於碳纖維，因此在高分子複材方面，幾乎為碳纖維所取代。
碳化矽纖維
碳化矽纖維亦是由化學氣相沉積法製成，其直徑約140mm。因為碳化矽纖維能承受較高的溫度，在 1000 ℃ 左右還能保持約50%的強度，所以大部份都使用在金屬基的鋁或鈦合金複合材料上。
l 碳纖維的製造
Ø 聚丙烯腈母材纖維之穩定化:
將聚丙烯腈母材纖維燒成高強度之碳纖維，中間過程必須經過一個重要的步驟即穩定化（stabilization），這處理過程之適當性影響後續燒結最終成品之碳纖維機械性質甚巨，故不得不慎重。穩定化過程係聚丙烯腈母材纖維在氧氣環境下；低溫狀況施以一定之張力做熱處理，這時聚丙烯腈纖維之化學結構發生變化，由原線性分子結構轉變為環狀之分子結構，其熔點亦隨著分子結構之不同而逐漸升高。穩定化過程通常是聚丙烯腈纖維在氧化氣流下空氣溫度範圍從180℃到300℃，控制加熱速度，一般為1~2℃/min，穩定化過程主要有三種反應：
（1）環化反應（Cyclization）。
（2）脫氫反應（Dehydrogenation）。
（3）氧化反應。
聚丙烯腈纖維進行穩定化過程中，纖維顏色一直在改變，由黃色、棕色、以至於最後之黑色。這種顏色變化象徵纖維內分子結構之改變，由聚烯（Polyene）結構到形成碳氮雙鍵（C=N）縮環之結構，即所謂梯形結構。這些反應過程中皆為放熱反應，脫氫及環化反應之放熱量分別為-242.67KJ/mole及-58KJ/mole。
聚丙烯腈母材纖維在空氣中加熱，促使脫氫反應而造成雙鍵之形成，最後生成穩定之梯形分子結構。這穩定化過程主要受（1）在纖維上張力之變化（2）熱處理溫度（3）處理中之媒介（4）前穩定化處理等之影響。一般而言，在穩定化過程中，聚丙烯腈之附屬氰基群，首先交連成梯形高分子結構，此過程之起始反應是藉由少量活性之共聚合物像2-亞甲基丁二酸（Itaconic acid）來催化。在穩定化過程中，氧分子亦參與梯形高分子反應，因而出現幾個可能之梯形分子結構。聚丙烯腈纖維在經過環化反應及穩定化後，導致纖維大量之收縮，由於在長軸方向受到機械拉力而阻止收縮發生，但纖維之直徑因而減小。
Ø 聚丙烯腈母材纖維之碳化:
聚丙烯腈纖維在碳化過程中，已穩定化母材纖維碳纖維，其熱處理係在鈍氣及很小張力，溫度高至1500℃之下進行的。在這熱處理過程中所有的元素，除了碳元素外，幾乎以副產物之形式被消去而形成像石墨之結構。
在碳化過程中，加熱速度在兩個區域內控制甚嚴苛，第一個區域溫度高至600℃，加熱速度要很低（小於5℃/min），質傳（Mass Transfer）要緩慢，因在高的加熱速度下，快速之質傳會造成纖維因細孔之形成，使得表面不規則性。這區域控制嚴格之另一原因是此區域進行大部分化學反應及揮發性產物之蒸發，水氣蒸發是因梯形高分子鏈含氧群進行交鏈反應之故。第二個區域，溫度介於600℃到1500℃之間，使用較大的加熱速度係為了要減少纖維因放熱反應或副產物之揮發造成可能之傷害。這些反應在600℃下大部分已完成，在這加熱區域包含N2、HCN及H2等氣體產生，H2及HCN係高分子鏈分子間交連反應之產物，氫氣之釋出係去氫反應之結果。
已穩定化分子鏈分子拉伸結構，聚丙烯腈纖維之纖維束在鈍氣中進行熱分解，非碳元素以揮發物（例如H2O、HCN、NH3、CO、CO2、NH3等）被除去而得到單純碳纖維，其產率大概是原來聚丙烯腈母材纖維之50％。碳化過程初期加熱速度相當慢，故揮發物之釋出並不損壞到纖維，大部分之揮發物在低於1000℃下皆已逃掉，僅剩少數氮元素（~6％）殘留著。
在碳化反應初期，溫度在400~500℃範圍，存在於已氧化聚丙烯腈內之氫氧基開始進行交連縮合反應，它能幫助已環化部分之重組與接合，此交連反應可固定高分子之結構，剩下之線性結構部分一則變成環化或進行鏈分裂而釋出氣體產物。這些已環化結構進行去氫反應，並在側面方向開始連接，產生側面方向由氮原子鍵結而成之三個六邊形組成之類石墨結構。
圖1聚丙烯腈裂解期間所釋放出之氣體
圖2已穩定化之PAN纖維經由含氧基進行分子間交連反應
圖3從PAN製備碳纖維之概略圖
已氧化之聚丙烯腈纖維在高產率下，製得高功能之碳纖維，原因是此時之聚丙烯腈已具芳香族之特性，此芳香族之特性可阻礙主鍵之碳鏈在擴展時分離。聚丙烯腈纖維在鈍氣下進行穩定化，在低溫時芳香族化並不容易發生，因此導致在高溫時使得碳鏈分離而造成碳纖維低的產率及較差之機械強度。碳纖維之產能可藉已氧化之聚丙烯腈纖維，在HCl氣體下進行碳化反應，或利用在乾淨抽絲房紡絲所得之聚丙烯腈纖維來提昇。碳化反應在HCl氣體下進行，氮元素以NH3之副產物之消去反應，而減少HCN之量，它同時有一明顯的去氫作用及氧元素以水蒸氣之釋出之消去反應，碳之產率因而增加。在乾淨空氣中進行聚丙烯腈纖維之紡絲，使得纖維表面缺陷減少，因而後續碳化所得之碳纖維有較好的機械性質。
Ø 聚丙烯腈母材纖維之石墨化:
聚丙烯腈纖維經碳化反應後已具有小微晶之結構，增加微晶之尺寸使得碳纖維結晶更完整，但微晶之規則排列則需藉助於纖維在1500℃以上之熱處理。此熱處理過程係在張力鈍氣下加熱碳纖維，溫度控制在2000－2500℃，甚至高至3000℃。不用氮氣作為鈍氣媒介之原因，係超過2000℃以上氮會變成活性分子且與碳纖維反應成為氰基（ ）。當碳纖維之溫度在1800－3000℃時，利用電流經過碳纖維來提高結晶之完美性。碳纖維在熱處理期間，利用某些金屬氧化物像氧化鉻（CrO）、二氧化錳（MnO2）、氧化釩（VO）和氧化鉬（MoO）當做催化劑來提昇微晶之成長。
碳纖維之溴化反應在強度上產生明顯之提昇作用，硼蒸氣之加入可增加石墨纖維之勁度，我們相信硼原子不僅可增加石墨纖維之結晶度，而石墨纖維內其作用像一個固態溶液硬化元素，因而阻礙微晶之剪切變形而保持模數與強度之值，碳纖維之楊氏模數已被證實直接與最後熱處理溫度（HTT）有關。
圖4碳纖維碳化之拉伸強度與熱處理溫度（HTT）之關係
圖5碳纖維碳化之模數與熱處理溫度（HTT）之關係
Ø 瀝青基碳纖維:
瀝青基碳纖維所提供之性質有些是聚丙烯腈基碳纖維所不易得到的，聚丙烯腈基碳纖維在模數達 = 200 \* Arabic 200GPa時，有甚佳之強度，當模數增加時強度下降，且最高模數大約在 = 650 \* Arabic 650GPa。瀝青基碳纖維之模數可達到石墨理論之模數值 = 1000 \* Arabic 1000GPa，而且比聚丙烯腈基碳纖維有更好的熱與導電性，瀝青基碳纖維與聚丙烯腈基碳纖維之性質可視為互補作用，彼此可填充商業上之需要。
用來做為瀝青之生料可謂相當豐富且便宜，它們是石油及煤化學工業及某些純芳香族碳氫化合物之副產品。等向性及異向性瀝青擁有獨特之軟化點及好的可紡織性，能夠以熱變溶劑氫化及催化等方法來純化，接著熔融紡織、穩定化、碳化、石墨化表面處理及上漿(sizing)等。一般性能之碳纖維(GPCF)及高性能碳纖維(HPCF)皆可製得，有關瀝青製造碳纖維之程序說明於後，而GPCF及HPCF之性質則列於表2。
表1 瀝青製造碳纖維之程序
可用的已商業化瀝青基碳纖維有兩種明顯的種類，一為〝一般用途〞之碳纖維，其拉伸強度高至700MPa，模數為30–60GPa；另一為〝高性能〞碳纖維，拉伸強度高達4GPa，模數從180到900GPa皆有。還有另一種高性能碳纖維，其熱傳導性為1000Wm–1k–1，為銅的兩倍還大，用於製造這兩種不同等級纖維，在瀝青之加工及紡織技術上有很大的不同。
一般功能性之碳纖維（GPCF）係Otani在1963年開發成功，此纖維有時被認為屬於〝等向性的（isotropic）〞碳纖維，因它們係從等向性瀝青製得。這些瀝青生料係由石油裂解後之殘留重油再經精煉而得。這種碳纖維可用來做為高溫爐之絕緣材料、燃料電池之電極、及水泥填充料。由於市場不斷擴充，碳纖維輸出量亦持續增加，其他公司相繼投入開發此種材料之行列。
GPCF是一種便宜的碳纖維，它有一般碳纖維之優點像輕量、導電性、耐化學性、耐熱、耐磨等，它可以取代一般石綿產品（剎車片、密封材料、耐磨及絕緣材料）。GPCF亦可用做防護罩、抗靜電之刷子、導電性塑膠、紡織工業之耐火衣服、國防工業上之防護衣及防毒面具之用。
Taylor與Brooks兩人從含碳中間相（meophase）之發現開發高性能碳／石墨纖維，此技術後來成為開發瀝青基碳纖維之科學根基。隨後此項技術在1970年為UCC公司之L.S.Singer進一步之推展，這關鍵性理念即將瀝青生料轉變為中間相或液晶（Liguid crystal）之瀝青。UCC公司在1976年將它商業化，並為生產HPCF而建造一條年產230噸之生產線。從1979年到1982年，其商品名為Thornel P–100、P–120（拉伸強度2.2GPa，模數724–827GPa），等逐漸投入市場。中間相瀝青纖維轉變為碳纖維，其產率可達80–90％，而且僅需利用熱處理方式即可容易的開發成高模數碳纖維。這些纖維結構比聚丙烯腈纖維或螺縈基纖維更像石墨，且它們顯示甚高的熱傳導性、導電性、低熱膨脹係數等，例如中間相瀝青基碳纖維Thornel P–140之導熱性為銅的兩倍，其比導熱性（導熱性／密度）為銅的8倍，這些特殊之性質使得瀝青基碳纖維在航太工業上之應用大為提高。
在1980年，為了降低中間相之紡織溫度並提升其紡織性，減少碳纖維之製作成本，許多研究者開始開發新的中間相，特別是在日本及美國等科技發達的國家，因此一些新產品–新中間相、前中間相、潛伏的中間相（dormant–mesophase）及可溶的中間相等之專利相繼出籠，這些皆是為了開發高性能碳纖維與石墨纖維所需母材而出現。在1987年Mitsubishi公司建造可生產500噸瀝青基HPCF工廠，此HPCF之最大拉伸強度為3.0GPa，模數為734GPa。
Ø 嫘縈基碳纖維:
對於大量生產碳纖維而言，嫘縈毫無疑問的是重要的母材來源，嫘縈在進行裂解過程中並不需要熔解。但天然產的嫘縈像棉花和苧麻，用來生產碳纖維並不合適，原因是這些纖維皆不連續，方向性較低，內含一些不純材料像木質素，所燒成之碳纖維產率低且機械性質差，因而它們被視為比合成之嫘縈纖維次一等的纖維。用來製造碳纖維最普遍且常用之嫘縈纖維為紡織級嫘縈，它是一種再生的嫘縈，人造絲嫘縈纖維已經廣為做碳化之用。
從嫘縈纖維形成碳纖維包括三個步驟：（1）低溫分解（＜400℃）（2）碳化反應（＜1500℃）（3）石墨化反應（＞2500℃），由嫘縈母材裂解所得之碳纖維產率甚低（10到30％之間），這與母材纖維性質、加熱速度及環境有關。纖維素（Cellulose）母材之分子量，決定尾端數目用以做為裂解過程之起始反應扮演重要的角色。緩慢的加熱速度可得較高碳纖維之產率，但不經濟，因此裂解過程是在活性環境下進行，這些化學組成份改變分解過程之途徑，因而在低溫時較快之裂解反應發生，並造成較高產率之碳纖維。
低溫分解:
在嫘縈中纖維素單元內含有氫和氧，此結構在消去五個水分子後，造成重量損失高達70－90％。這種過多的重量損失歸因於包括CO2、CO、醇、酮及一些含碳化合物之鏈分解反應，另中間去氫反應產生左旋的葡萄糖（Levoglucosan）。裂解反應是在鈍氣進行的，在後續裂解過程中左旋的葡萄糖分解成揮發性碳化合物造成進一步碳的損失。
雖然纖維素材料之裂解已廣為研究，一些分解產物亦被鑑定，但對於纖維素完全轉變為碳纖維之詳細機構，首次為Bacon與Tang提出，他們使用紅外線光譜儀、熱重分析儀與氣體釋出之數據來研究再生纖維素纖維之裂解，與纖維加熱至500℃之結構變化。依據他們分析的結果，裂解的過程包括四個步驟，主要的裂解反應係在210℃與320℃之間發生，此階段約有90％之重量損失在此發生，重量損失變化在70－90％之間。這與生料材質、加熱速度有關，加熱速度儘量放慢，以避免過多的焦油形成並沉積在纖維上面，這些焦油會造成碳纖維之脆性及纖維結構之分裂。
低溫裂解之四個步驟。步驟Ⅰ為溫度25°－150℃，在這溫度範圍內纖維所吸收之水分被除去，造成大約12％之重量損失。另外，在進行此步驟時可觀察到，在側面分子排列有增加的趨勢。步驟Ⅱ為溫度150°－240℃，在這階段，纖維內存在的氫及氫氧鍵反應生成水而分裂，在赤道位置， 與 雙鍵形成。由紅外線光譜分析可確定，並指出去水過程主要是分子內之反應。步驟Ⅲ為溫度240°－400℃，纖維熱分解反應開始進行，熱裂解從 之熱分解所造成，在 接合發生時導致大量焦油、H2O、CO、CO2之生成。步驟Ⅳ為溫度＞400℃，每個纖維素單元切斷成含4個碳原子之殘留物，超過400℃，進行縮和反應除去氫氣再聚合成碳高分子，而生成像石墨之結構，圖1概略的說明四個反應步驟。
圖1 纖維素轉變成碳纖維之各種反應機構
在高溫下之碳化反應:
溫度在240°－400℃間，由纖維素所得焦炭萃取物之紅外線光譜分析，在CO群裡僅少數改變，在 雙鍵上實質上沒有變化，顯示 與 之共軛雙鍵原封不動。然而溫度超過400℃在紅外線光譜上顯現有微弱之 與 鍵存在。當溫度持續增加時， 鍵逐漸減少，此指出大約在400℃時嫘縈纖維由於 鍵之熱分解反應，使得主要分子斷裂，因此嫘縈纖維在1000℃到1500℃之高溫範圍內已準備碳化。碳化反應通常在鈍氣下進行，當高溫及張力下進行碳化反應可得較好的機械性質。但目前已發現纖維在石墨化過程中施以適當之張力亦可使機械強度進一步提升。
在500°－1000℃熱處理期間，發現纖維之電阻明顯的減少，此指出纖維具芳香族結構之碳分子形成，這些碳化反應所得之碳殘留物被認為係呋喃衍生物（Ⅵ）、（Ⅶ）。這些碳殘留物在提昇溫度後進行交連反應，在去氫後形成芳香族環的結構。
具各種分子方向性之再生纖維素在碳化反應前後，利用X-光繞射分析顯示，具高方向性嫘縈產生高方向性之碳纖維，此點指出石墨化層之形成係在原生纖維素鏈之方向，四-碳殘留物（呋喃衍生物）平行於b軸方向排列，沿著原先纖維素方向搭接在一起生成鏈高分子，鄰近的鏈縮合成六-碳石墨之結構，這種長軸聚合反應過程舉例說明於圖2。
圖2 纖維素環狀單元殘留物之長軸聚合反應成石墨結構
根據圖2之說明，纖維素b軸其長度為10.3Å，必須收縮成石墨b軸（8.25Å）2倍長，造成大約83％之長度產率（length yield）。
對於高度方向性纖維所觀測到的長度產率為76％，觀察所得之長度產率與理論間之差異，歸因於數個改變之反應，像在低溫碳化反應時，焦油之釋出造成鏈之短化。然而Ruland觀察到纖維素原有之方向性組織在240℃碳化過程間幾乎完全消失，且一直維持很低的方向性直至900℃。因此纖維素纖維擁有最大的起始方向性可製造出較低方向性之碳纖維，因此最大方向性上不足構成高方向性碳纖維之條件，除非石墨化反應在張力下進行。石墨化反應通常在溫度超過2800℃，張力下進行，所製得之石墨纖維之楊氏模數直接與石墨化反應有關。
圖3 石墨化反應至2800℃，拉伸對石墨纖維之楊氏模數之影響
由於複合材料（Polymeric Composite）具有高強度、高勁度、質量輕、耐腐蝕以及抗磨損等特性，已運用於航太工業、汽車工業、船舶工業、醫療以及運動器材上。複合材料種類繁多，其中使用最久應用最廣者，當屬纖維強化高分子複合材料。在航太工業中，由於飛機必須抗拒重力才能在空中飛翔，因此減輕重量一直是飛機製造者追求的目標。飛機在起飛與降落時承受複雜的應力變化，在數小時或長時間的飛行中，同時暴露於嚴苛的環境變化下，因此飛機所使用的材料必須能得起外界的衝擊。而複合材料具有高比強度(specific strength）和高比勁度(specific stiffness)，減重效果良好，所以愈來愈廣泛的應用於飛機上。
複合材料顧名思義是由兩種以上的材質所組合而成，一般來講，是由基材(matrix)及補強材(reinforcements)所構成。基材是材料組成裏連續的材質，而補強材則為其中不連續的材質。通常補強材的機械強度要比基材高，才能夠補強基材，使合成的複合材料得到較佳的機械強度。然而，複合材料的性質並不同於其構成的任一材料，而是呈現另一種新的材料性質。
複合材料種類繁多，其中應用廣者，當屬纖維補強之高分子複合材料，而其基本的組成為纖維及高分子基材 。纖維是決定複合材料機械性質的主要因素，用以承受主要負載，限制微裂紋延伸，提高材料剛性與抗疲勞及潛變性能等，高分子一般分為熱塑性塑膠(thermoplastic)及熱固性塑膠(thermoset)兩大類，而纖維則有不同的材料及形式，常用的有玻璃纖維、碳纖維、Ｋevlar纖維、硼纖維、及碳化矽纖維幾種，形式上有短纖、連續長纖、編織纖維、及粉狀纖維等。在航太工業的應用上，因為對於材料強度的要求較高，所以在強化纖維的選擇上，通常以連續長纖為主。
常用纖維材料種類：
玻璃纖維
常用的玻璃纖維一般可分為E-glass、S-glass、C-glass三種：
E-glass:
為鈣-硼矽玻璃纖維，用於一般之補強塑膠，電氣性質甚為優良。
S-glass:
具高強度及高彈性係數，用於太空方面，與E-glass比較，比重小約2%，抗拉力約大35%，而彈性係數約大20%。
C-glass:
為鈉-鈉-硼矽玻璃纖維，耐化學品侵蝕的性質優良，適合於耐腐蝕性之纖維複合材料製品。
碳纖維
纖維其含碳量在99%以上者稱為石墨纖維，若在93%-95%之間，則稱為碳纖維。一般是在高溫下，以熱分解的方式將預形體(precursor)碳化成碳纖維。預形體的材質有嫘縈(rayon)、聚丙烯睛(PAN)纖維、及瀝青(pitch)，而PAN系列碳纖維為目前商業化的主流。
嫘縈(rayon)
最早用來製作碳纖維的原料。
聚丙烯睛(PAN)纖維
成本比嫘縈絲低，製作的碳纖維在抗拉強度可達 2.4GPa~3.1 GPa，彈性率 0.2~0.5 GPa。
瀝青(pitch)
若將等向性分子瀝青直接做成碳纖維，因分子不具方向性，所以機械性質低，用途有限。如果在 400℃~450℃ 的惰性氣體中長期處理，可將瀝青轉換成液晶瀝青(liquid crystal)的形態，因具有優勢的分子順向排列，可製成高性能的碳纖維。
Kevlar纖維
Kevlar為商業化的芳香聚醯銨纖維，為人造的有機纖維。具低密度、高強度、及低成本。一般而言與高分子基材的相容性不佳，因此製成的複合材料抗壓強度較低。常用的有 Kevlar 29 及 Kevlar 49。
硼纖維
幾乎所有的硼纖維都用來製作硼/環氧樹脂複合材料，硼纖維是用化學氣相沉積法將硼沉積於鎢絲上，鎢絲表面和硼反應後其直徑約17.5 mm，而硼纖維的直徑約 100 mm，如下圖所示。因為硼纖維的製作成本遠高於碳纖維，因此在高分子複材方面，幾乎為碳纖維所取代。
碳化矽纖維
碳化矽纖維亦是由化學氣相沉積法製成，其直徑約140mm。因為碳化矽纖維能承受較高的溫度，在 1000 ℃ 左右還能保持約50%的強度，所以大部份都使用在金屬基的鋁或鈦合金複合材料上。
l 碳纖維的製造
Ø 聚丙烯腈母材纖維之穩定化:
將聚丙烯腈母材纖維燒成高強度之碳纖維，中間過程必須經過一個重要的步驟即穩定化（stabilization），這處理過程之適當性影響後續燒結最終成品之碳纖維機械性質甚巨，故不得不慎重。穩定化過程係聚丙烯腈母材纖維在氧氣環境下；低溫狀況施以一定之張力做熱處理，這時聚丙烯腈纖維之化學結構發生變化，由原線性分子結構轉變為環狀之分子結構，其熔點亦隨著分子結構之不同而逐漸升高。穩定化過程通常是聚丙烯腈纖維在氧化氣流下空氣溫度範圍從180℃到300℃，控制加熱速度，一般為1~2℃/min，穩定化過程主要有三種反應：
（1）環化反應（Cyclization）。
（2）脫氫反應（Dehydrogenation）。
（3）氧化反應。
聚丙烯腈纖維進行穩定化過程中，纖維顏色一直在改變，由黃色、棕色、以至於最後之黑色。這種顏色變化象徵纖維內分子結構之改變，由聚烯（Polyene）結構到形成碳氮雙鍵（C=N）縮環之結構，即所謂梯形結構。這些反應過程中皆為放熱反應，脫氫及環化反應之放熱量分別為-242.67KJ/mole及-58KJ/mole。
聚丙烯腈母材纖維在空氣中加熱，促使脫氫反應而造成雙鍵之形成，最後生成穩定之梯形分子結構。這穩定化過程主要受（1）在纖維上張力之變化（2）熱處理溫度（3）處理中之媒介（4）前穩定化處理等之影響。一般而言，在穩定化過程中，聚丙烯腈之附屬氰基群，首先交連成梯形高分子結構，此過程之起始反應是藉由少量活性之共聚合物像2-亞甲基丁二酸（Itaconic acid）來催化。在穩定化過程中，氧分子亦參與梯形高分子反應，因而出現幾個可能之梯形分子結構。聚丙烯腈纖維在經過環化反應及穩定化後，導致纖維大量之收縮，由於在長軸方向受到機械拉力而阻止收縮發生，但纖維之直徑因而減小。
Ø 聚丙烯腈母材纖維之碳化:
聚丙烯腈纖維在碳化過程中，已穩定化母材纖維碳纖維，其熱處理係在鈍氣及很小張力，溫度高至1500℃之下進行的。在這熱處理過程中所有的元素，除了碳元素外，幾乎以副產物之形式被消去而形成像石墨之結構。
在碳化過程中，加熱速度在兩個區域內控制甚嚴苛，第一個區域溫度高至600℃，加熱速度要很低（小於5℃/min），質傳（Mass Transfer）要緩慢，因在高的加熱速度下，快速之質傳會造成纖維因細孔之形成，使得表面不規則性。這區域控制嚴格之另一原因是此區域進行大部分化學反應及揮發性產物之蒸發，水氣蒸發是因梯形高分子鏈含氧群進行交鏈反應之故。第二個區域，溫度介於600℃到1500℃之間，使用較大的加熱速度係為了要減少纖維因放熱反應或副產物之揮發造成可能之傷害。這些反應在600℃下大部分已完成，在這加熱區域包含N2、HCN及H2等氣體產生，H2及HCN係高分子鏈分子間交連反應之產物，氫氣之釋出係去氫反應之結果。
已穩定化分子鏈分子拉伸結構，聚丙烯腈纖維之纖維束在鈍氣中進行熱分解，非碳元素以揮發物（例如H2O、HCN、NH3、CO、CO2、NH3等）被除去而得到單純碳纖維，其產率大概是原來聚丙烯腈母材纖維之50％。碳化過程初期加熱速度相當慢，故揮發物之釋出並不損壞到纖維，大部分之揮發物在低於1000℃下皆已逃掉，僅剩少數氮元素（~6％）殘留著。
在碳化反應初期，溫度在400~500℃範圍，存在於已氧化聚丙烯腈內之氫氧基開始進行交連縮合反應，它能幫助已環化部分之重組與接合，此交連反應可固定高分子之結構，剩下之線性結構部分一則變成環化或進行鏈分裂而釋出氣體產物。這些已環化結構進行去氫反應，並在側面方向開始連接，產生側面方向由氮原子鍵結而成之三個六邊形組成之類石墨結構。
圖1聚丙烯腈裂解期間所釋放出之氣體
圖2已穩定化之PAN纖維經由含氧基進行分子間交連反應
圖3從PAN製備碳纖維之概略圖
已氧化之聚丙烯腈纖維在高產率下，製得高功能之碳纖維，原因是此時之聚丙烯腈已具芳香族之特性，此芳香族之特性可阻礙主鍵之碳鏈在擴展時分離。聚丙烯腈纖維在鈍氣下進行穩定化，在低溫時芳香族化並不容易發生，因此導致在高溫時使得碳鏈分離而造成碳纖維低的產率及較差之機械強度。碳纖維之產能可藉已氧化之聚丙烯腈纖維，在HCl氣體下進行碳化反應，或利用在乾淨抽絲房紡絲所得之聚丙烯腈纖維來提昇。碳化反應在HCl氣體下進行，氮元素以NH3之副產物之消去反應，而減少HCN之量，它同時有一明顯的去氫作用及氧元素以水蒸氣之釋出之消去反應，碳之產率因而增加。在乾淨空氣中進行聚丙烯腈纖維之紡絲，使得纖維表面缺陷減少，因而後續碳化所得之碳纖維有較好的機械性質。
Ø 聚丙烯腈母材纖維之石墨化:
聚丙烯腈纖維經碳化反應後已具有小微晶之結構，增加微晶之尺寸使得碳纖維結晶更完整，但微晶之規則排列則需藉助於纖維在1500℃以上之熱處理。此熱處理過程係在張力鈍氣下加熱碳纖維，溫度控制在2000－2500℃，甚至高至3000℃。不用氮氣作為鈍氣媒介之原因，係超過2000℃以上氮會變成活性分子且與碳纖維反應成為氰基（ ）。當碳纖維之溫度在1800－3000℃時，利用電流經過碳纖維來提高結晶之完美性。碳纖維在熱處理期間，利用某些金屬氧化物像氧化鉻（CrO）、二氧化錳（MnO2）、氧化釩（VO）和氧化鉬（MoO）當做催化劑來提昇微晶之成長。
碳纖維之溴化反應在強度上產生明顯之提昇作用，硼蒸氣之加入可增加石墨纖維之勁度，我們相信硼原子不僅可增加石墨纖維之結晶度，而石墨纖維內其作用像一個固態溶液硬化元素，因而阻礙微晶之剪切變形而保持模數與強度之值，碳纖維之楊氏模數已被證實直接與最後熱處理溫度（HTT）有關。
圖4碳纖維碳化之拉伸強度與熱處理溫度（HTT）之關係
圖5碳纖維碳化之模數與熱處理溫度（HTT）之關係
Ø 瀝青基碳纖維:
瀝青基碳纖維所提供之性質有些是聚丙烯腈基碳纖維所不易得到的，聚丙烯腈基碳纖維在模數達 = 200 \* Arabic 200GPa時，有甚佳之強度，當模數增加時強度下降，且最高模數大約在 = 650 \* Arabic 650GPa。瀝青基碳纖維之模數可達到石墨理論之模數值 = 1000 \* Arabic 1000GPa，而且比聚丙烯腈基碳纖維有更好的熱與導電性，瀝青基碳纖維與聚丙烯腈基碳纖維之性質可視為互補作用，彼此可填充商業上之需要。
用來做為瀝青之生料可謂相當豐富且便宜，它們是石油及煤化學工業及某些純芳香族碳氫化合物之副產品。等向性及異向性瀝青擁有獨特之軟化點及好的可紡織性，能夠以熱變溶劑氫化及催化等方法來純化，接著熔融紡織、穩定化、碳化、石墨化表面處理及上漿(sizing)等。一般性能之碳纖維(GPCF)及高性能碳纖維(HPCF)皆可製得，有關瀝青製造碳纖維之程序說明於後，而GPCF及HPCF之性質則列於表2。
表1 瀝青製造碳纖維之程序
可用的已商業化瀝青基碳纖維有兩種明顯的種類，一為〝一般用途〞之碳纖維，其拉伸強度高至700MPa，模數為30–60GPa；另一為〝高性能〞碳纖維，拉伸強度高達4GPa，模數從180到900GPa皆有。還有另一種高性能碳纖維，其熱傳導性為1000Wm–1k–1，為銅的兩倍還大，用於製造這兩種不同等級纖維，在瀝青之加工及紡織技術上有很大的不同。
一般功能性之碳纖維（GPCF）係Otani在1963年開發成功，此纖維有時被認為屬於〝等向性的（isotropic）〞碳纖維，因它們係從等向性瀝青製得。這些瀝青生料係由石油裂解後之殘留重油再經精煉而得。這種碳纖維可用來做為高溫爐之絕緣材料、燃料電池之電極、及水泥填充料。由於市場不斷擴充，碳纖維輸出量亦持續增加，其他公司相繼投入開發此種材料之行列。
GPCF是一種便宜的碳纖維，它有一般碳纖維之優點像輕量、導電性、耐化學性、耐熱、耐磨等，它可以取代一般石綿產品（剎車片、密封材料、耐磨及絕緣材料）。GPCF亦可用做防護罩、抗靜電之刷子、導電性塑膠、紡織工業之耐火衣服、國防工業上之防護衣及防毒面具之用。
Taylor與Brooks兩人從含碳中間相（meophase）之發現開發高性能碳／石墨纖維，此技術後來成為開發瀝青基碳纖維之科學根基。隨後此項技術在1970年為UCC公司之L.S.Singer進一步之推展，這關鍵性理念即將瀝青生料轉變為中間相或液晶（Liguid crystal）之瀝青。UCC公司在1976年將它商業化，並為生產HPCF而建造一條年產230噸之生產線。從1979年到1982年，其商品名為Thornel P–100、P–120（拉伸強度2.2GPa，模數724–827GPa），等逐漸投入市場。中間相瀝青纖維轉變為碳纖維，其產率可達80–90％，而且僅需利用熱處理方式即可容易的開發成高模數碳纖維。這些纖維結構比聚丙烯腈纖維或螺縈基纖維更像石墨，且它們顯示甚高的熱傳導性、導電性、低熱膨脹係數等，例如中間相瀝青基碳纖維Thornel P–140之導熱性為銅的兩倍，其比導熱性（導熱性／密度）為銅的8倍，這些特殊之性質使得瀝青基碳纖維在航太工業上之應用大為提高。
在1980年，為了降低中間相之紡織溫度並提升其紡織性，減少碳纖維之製作成本，許多研究者開始開發新的中間相，特別是在日本及美國等科技發達的國家，因此一些新產品–新中間相、前中間相、潛伏的中間相（dormant–mesophase）及可溶的中間相等之專利相繼出籠，這些皆是為了開發高性能碳纖維與石墨纖維所需母材而出現。在1987年Mitsubishi公司建造可生產500噸瀝青基HPCF工廠，此HPCF之最大拉伸強度為3.0GPa，模數為734GPa。
Ø 嫘縈基碳纖維:
對於大量生產碳纖維而言，嫘縈毫無疑問的是重要的母材來源，嫘縈在進行裂解過程中並不需要熔解。但天然產的嫘縈像棉花和苧麻，用來生產碳纖維並不合適，原因是這些纖維皆不連續，方向性較低，內含一些不純材料像木質素，所燒成之碳纖維產率低且機械性質差，因而它們被視為比合成之嫘縈纖維次一等的纖維。用來製造碳纖維最普遍且常用之嫘縈纖維為紡織級嫘縈，它是一種再生的嫘縈，人造絲嫘縈纖維已經廣為做碳化之用。
從嫘縈纖維形成碳纖維包括三個步驟：（1）低溫分解（＜400℃）（2）碳化反應（＜1500℃）（3）石墨化反應（＞2500℃），由嫘縈母材裂解所得之碳纖維產率甚低（10到30％之間），這與母材纖維性質、加熱速度及環境有關。纖維素（Cellulose）母材之分子量，決定尾端數目用以做為裂解過程之起始反應扮演重要的角色。緩慢的加熱速度可得較高碳纖維之產率，但不經濟，因此裂解過程是在活性環境下進行，這些化學組成份改變分解過程之途徑，因而在低溫時較快之裂解反應發生，並造成較高產率之碳纖維。
低溫分解:
在嫘縈中纖維素單元內含有氫和氧，此結構在消去五個水分子後，造成重量損失高達70－90％。這種過多的重量損失歸因於包括CO2、CO、醇、酮及一些含碳化合物之鏈分解反應，另中間去氫反應產生左旋的葡萄糖（Levoglucosan）。裂解反應是在鈍氣進行的，在後續裂解過程中左旋的葡萄糖分解成揮發性碳化合物造成進一步碳的損失。
雖然纖維素材料之裂解已廣為研究，一些分解產物亦被鑑定，但對於纖維素完全轉變為碳纖維之詳細機構，首次為Bacon與Tang提出，他們使用紅外線光譜儀、熱重分析儀與氣體釋出之數據來研究再生纖維素纖維之裂解，與纖維加熱至500℃之結構變化。依據他們分析的結果，裂解的過程包括四個步驟，主要的裂解反應係在210℃與320℃之間發生，此階段約有90％之重量損失在此發生，重量損失變化在70－90％之間。這與生料材質、加熱速度有關，加熱速度儘量放慢，以避免過多的焦油形成並沉積在纖維上面，這些焦油會造成碳纖維之脆性及纖維結構之分裂。
低溫裂解之四個步驟。步驟Ⅰ為溫度25°－150℃，在這溫度範圍內纖維所吸收之水分被除去，造成大約12％之重量損失。另外，在進行此步驟時可觀察到，在側面分子排列有增加的趨勢。步驟Ⅱ為溫度150°－240℃，在這階段，纖維內存在的氫及氫氧鍵反應生成水而分裂，在赤道位置， 與 雙鍵形成。由紅外線光譜分析可確定，並指出去水過程主要是分子內之反應。步驟Ⅲ為溫度240°－400℃，纖維熱分解反應開始進行，熱裂解從 之熱分解所造成，在 接合發生時導致大量焦油、H2O、CO、CO2之生成。步驟Ⅳ為溫度＞400℃，每個纖維素單元切斷成含4個碳原子之殘留物，超過400℃，進行縮和反應除去氫氣再聚合成碳高分子，而生成像石墨之結構，圖1概略的說明四個反應步驟。
圖1 纖維素轉變成碳纖維之各種反應機構
在高溫下之碳化反應:
溫度在240°－400℃間，由纖維素所得焦炭萃取物之紅外線光譜分析，在CO群裡僅少數改變，在 雙鍵上實質上沒有變化，顯示 與 之共軛雙鍵原封不動。然而溫度超過400℃在紅外線光譜上顯現有微弱之 與 鍵存在。當溫度持續增加時， 鍵逐漸減少，此指出大約在400℃時嫘縈纖維由於 鍵之熱分解反應，使得主要分子斷裂，因此嫘縈纖維在1000℃到1500℃之高溫範圍內已準備碳化。碳化反應通常在鈍氣下進行，當高溫及張力下進行碳化反應可得較好的機械性質。但目前已發現纖維在石墨化過程中施以適當之張力亦可使機械強度進一步提升。
在500°－1000℃熱處理期間，發現纖維之電阻明顯的減少，此指出纖維具芳香族結構之碳分子形成，這些碳化反應所得之碳殘留物被認為係呋喃衍生物（Ⅵ）、（Ⅶ）。這些碳殘留物在提昇溫度後進行交連反應，在去氫後形成芳香族環的結構。
具各種分子方向性之再生纖維素在碳化反應前後，利用X-光繞射分析顯示，具高方向性嫘縈產生高方向性之碳纖維，此點指出石墨化層之形成係在原生纖維素鏈之方向，四-碳殘留物（呋喃衍生物）平行於b軸方向排列，沿著原先纖維素方向搭接在一起生成鏈高分子，鄰近的鏈縮合成六-碳石墨之結構，這種長軸聚合反應過程舉例說明於圖2。
圖2 纖維素環狀單元殘留物之長軸聚合反應成石墨結構
根據圖2之說明，纖維素b軸其長度為10.3Å，必須收縮成石墨b軸（8.25Å）2倍長，造成大約83％之長度產率（length yield）。
對於高度方向性纖維所觀測到的長度產率為76％，觀察所得之長度產率與理論間之差異，歸因於數個改變之反應，像在低溫碳化反應時，焦油之釋出造成鏈之短化。然而Ruland觀察到纖維素原有之方向性組織在240℃碳化過程間幾乎完全消失，且一直維持很低的方向性直至900℃。因此纖維素纖維擁有最大的起始方向性可製造出較低方向性之碳纖維，因此最大方向性上不足構成高方向性碳纖維之條件，除非石墨化反應在張力下進行。石墨化反應通常在溫度超過2800℃，張力下進行，所製得之石墨纖維之楊氏模數直接與石墨化反應有關。
圖3 石墨化反應至2800℃，拉伸對石墨纖維之楊氏模數之影響
l 複合材料簡介
由於複合材料（Polymeric Composite）具有高強度、高勁度、質量輕、耐腐蝕以及抗磨損等特性，已運用於航太工業、汽車工業、船舶工業、醫療以及運動器材上。複合材料種類繁多，其中使用最久應用最廣者，當屬纖維強化高分子複合材料。在航太工業中，由於飛機必須抗拒重力才能在空中飛翔，因此減輕重量一直是飛機製造者追求的目標。飛機在起飛與降落時承受複雜的應力變化，在數小時或長時間的飛行中，同時暴露於嚴苛的環境變化下，因此飛機所使用的材料必須能得起外界的衝擊。而複合材料具有高比強度(specific strength）和高比勁度(specific stiffness)，減重效果良好，所以愈來愈廣泛的應用於飛機上。
複合材料顧名思義是由兩種以上的材質所組合而成，一般來講，是由基材(matrix)及補強材(reinforcements)所構成。基材是材料組成裏連續的材質，而補強材則為其中不連續的材質。通常補強材的機械強度要比基材高，才能夠補強基材，使合成的複合材料得到較佳的機械強度。然而，複合材料的性質並不同於其構成的任一材料，而是呈現另一種新的材料性質。
複合材料種類繁多，其中應用廣者，當屬纖維補強之高分子複合材料，而其基本的組成為纖維及高分子基材 。纖維是決定複合材料機械性質的主要因素，用以承受主要負載，限制微裂紋延伸，提高材料剛性與抗疲勞及潛變性能等，高分子一般分為熱塑性塑膠(thermoplastic)及熱固性塑膠(thermoset)兩大類，而纖維則有不同的材料及形式，常用的有玻璃纖維、碳纖維、Ｋevlar纖維、硼纖維、及碳化矽纖維幾種，形式上有短纖、連續長纖、編織纖維、及粉狀纖維等。在航太工業的應用上，因為對於材料強度的要求較高，所以在強化纖維的選擇上，通常以連續長纖為主。
常用纖維材料種類：
玻璃纖維
常用的玻璃纖維一般可分為E-glass、S-glass、C-glass三種：
E-glass:
為鈣-硼矽玻璃纖維，用於一般之補強塑膠，電氣性質甚為優良。
S-glass:
具高強度及高彈性係數，用於太空方面，與E-glass比較，比重小約2%，抗拉力約大35%，而彈性係數約大20%。
C-glass:
為鈉-鈉-硼矽玻璃纖維，耐化學品侵蝕的性質優良，適合於耐腐蝕性之纖維複合材料製品。
碳纖維
纖維其含碳量在99%以上者稱為石墨纖維，若在93%-95%之間，則稱為碳纖維。一般是在高溫下，以熱分解的方式將預形體(precursor)碳化成碳纖維。預形體的材質有嫘縈(rayon)、聚丙烯睛(PAN)纖維、及瀝青(pitch)，而PAN系列碳纖維為目前商業化的主流。
嫘縈(rayon)
最早用來製作碳纖維的原料。
聚丙烯睛(PAN)纖維
成本比嫘縈絲低，製作的碳纖維在抗拉強度可達 2.4GPa~3.1 GPa，彈性率 0.2~0.5 GPa。
瀝青(pitch)
若將等向性分子瀝青直接做成碳纖維，因分子不具方向性，所以機械性質低，用途有限。如果在 400℃~450℃ 的惰性氣體中長期處理，可將瀝青轉換成液晶瀝青(liquid crystal)的形態，因具有優勢的分子順向排列，可製成高性能的碳纖維。
Kevlar纖維
Kevlar為商業化的芳香聚醯銨纖維，為人造的有機纖維。具低密度、高強度、及低成本。一般而言與高分子基材的相容性不佳，因此製成的複合材料抗壓強度較低。常用的有 Kevlar 29 及 Kevlar 49。
硼纖維
幾乎所有的硼纖維都用來製作硼/環氧樹脂複合材料，硼纖維是用化學氣相沉積法將硼沉積於鎢絲上，鎢絲表面和硼反應後其直徑約17.5 mm，而硼纖維的直徑約 100 mm，如下圖所示。因為硼纖維的製作成本遠高於碳纖維，因此在高分子複材方面，幾乎為碳纖維所取代。
碳化矽纖維
碳化矽纖維亦是由化學氣相沉積法製成，其直徑約140mm。因為碳化矽纖維能承受較高的溫度，在 1000 ℃ 左右還能保持約50%的強度，所以大部份都使用在金屬基的鋁或鈦合金複合材料上。
l 碳纖維的製造
Ø 聚丙烯腈母材纖維之穩定化:
將聚丙烯腈母材纖維燒成高強度之碳纖維，中間過程必須經過一個重要的步驟即穩定化（stabilization），這處理過程之適當性影響後續燒結最終成品之碳纖維機械性質甚巨，故不得不慎重。穩定化過程係聚丙烯腈母材纖維在氧氣環境下；低溫狀況施以一定之張力做熱處理，這時聚丙烯腈纖維之化學結構發生變化，由原線性分子結構轉變為環狀之分子結構，其熔點亦隨著分子結構之不同而逐漸升高。穩定化過程通常是聚丙烯腈纖維在氧化氣流下空氣溫度範圍從180℃到300℃，控制加熱速度，一般為1~2℃/min，穩定化過程主要有三種反應：
（1）環化反應（Cyclization）。
（2）脫氫反應（Dehydrogenation）。
（3）氧化反應。
聚丙烯腈纖維進行穩定化過程中，纖維顏色一直在改變，由黃色、棕色、以至於最後之黑色。這種顏色變化象徵纖維內分子結構之改變，由聚烯（Polyene）結構到形成碳氮雙鍵（C=N）縮環之結構，即所謂梯形結構。這些反應過程中皆為放熱反應，脫氫及環化反應之放熱量分別為-242.67KJ/mole及-58KJ/mole。
聚丙烯腈母材纖維在空氣中加熱，促使脫氫反應而造成雙鍵之形成，最後生成穩定之梯形分子結構。這穩定化過程主要受（1）在纖維上張力之變化（2）熱處理溫度（3）處理中之媒介（4）前穩定化處理等之影響。一般而言，在穩定化過程中，聚丙烯腈之附屬氰基群，首先交連成梯形高分子結構，此過程之起始反應是藉由少量活性之共聚合物像2-亞甲基丁二酸（Itaconic acid）來催化。在穩定化過程中，氧分子亦參與梯形高分子反應，因而出現幾個可能之梯形分子結構。聚丙烯腈纖維在經過環化反應及穩定化後，導致纖維大量之收縮，由於在長軸方向受到機械拉力而阻止收縮發生，但纖維之直徑因而減小。
Ø 聚丙烯腈母材纖維之碳化:
聚丙烯腈纖維在碳化過程中，已穩定化母材纖維碳纖維，其熱處理係在鈍氣及很小張力，溫度高至1500℃之下進行的。在這熱處理過程中所有的元素，除了碳元素外，幾乎以副產物之形式被消去而形成像石墨之結構。
在碳化過程中，加熱速度在兩個區域內控制甚嚴苛，第一個區域溫度高至600℃，加熱速度要很低（小於5℃/min），質傳（Mass Transfer）要緩慢，因在高的加熱速度下，快速之質傳會造成纖維因細孔之形成，使得表面不規則性。這區域控制嚴格之另一原因是此區域進行大部分化學反應及揮發性產物之蒸發，水氣蒸發是因梯形高分子鏈含氧群進行交鏈反應之故。第二個區域，溫度介於600℃到1500℃之間，使用較大的加熱速度係為了要減少纖維因放熱反應或副產物之揮發造成可能之傷害。這些反應在600℃下大部分已完成，在這加熱區域包含N2、HCN及H2等氣體產生，H2及HCN係高分子鏈分子間交連反應之產物，氫氣之釋出係去氫反應之結果。
已穩定化分子鏈分子拉伸結構，聚丙烯腈纖維之纖維束在鈍氣中進行熱分解，非碳元素以揮發物（例如H2O、HCN、NH3、CO、CO2、NH3等）被除去而得到單純碳纖維，其產率大概是原來聚丙烯腈母材纖維之50％。碳化過程初期加熱速度相當慢，故揮發物之釋出並不損壞到纖維，大部分之揮發物在低於1000℃下皆已逃掉，僅剩少數氮元素（~6％）殘留著。
在碳化反應初期，溫度在400~500℃範圍，存在於已氧化聚丙烯腈內之氫氧基開始進行交連縮合反應，它能幫助已環化部分之重組與接合，此交連反應可固定高分子之結構，剩下之線性結構部分一則變成環化或進行鏈分裂而釋出氣體產物。這些已環化結構進行去氫反應，並在側面方向開始連接，產生側面方向由氮原子鍵結而成之三個六邊形組成之類石墨結構。
圖1聚丙烯腈裂解期間所釋放出之氣體
圖2已穩定化之PAN纖維經由含氧基進行分子間交連反應
圖3從PAN製備碳纖維之概略圖
已氧化之聚丙烯腈纖維在高產率下，製得高功能之碳纖維，原因是此時之聚丙烯腈已具芳香族之特性，此芳香族之特性可阻礙主鍵之碳鏈在擴展時分離。聚丙烯腈纖維在鈍氣下進行穩定化，在低溫時芳香族化並不容易發生，因此導致在高溫時使得碳鏈分離而造成碳纖維低的產率及較差之機械強度。碳纖維之產能可藉已氧化之聚丙烯腈纖維，在HCl氣體下進行碳化反應，或利用在乾淨抽絲房紡絲所得之聚丙烯腈纖維來提昇。碳化反應在HCl氣體下進行，氮元素以NH3之副產物之消去反應，而減少HCN之量，它同時有一明顯的去氫作用及氧元素以水蒸氣之釋出之消去反應，碳之產率因而增加。在乾淨空氣中進行聚丙烯腈纖維之紡絲，使得纖維表面缺陷減少，因而後續碳化所得之碳纖維有較好的機械性質。
Ø 聚丙烯腈母材纖維之石墨化:
聚丙烯腈纖維經碳化反應後已具有小微晶之結構，增加微晶之尺寸使得碳纖維結晶更完整，但微晶之規則排列則需藉助於纖維在1500℃以上之熱處理。此熱處理過程係在張力鈍氣下加熱碳纖維，溫度控制在2000－2500℃，甚至高至3000℃。不用氮氣作為鈍氣媒介之原因，係超過2000℃以上氮會變成活性分子且與碳纖維反應成為氰基（ ）。當碳纖維之溫度在1800－3000℃時，利用電流經過碳纖維來提高結晶之完美性。碳纖維在熱處理期間，利用某些金屬氧化物像氧化鉻（CrO）、二氧化錳（MnO2）、氧化釩（VO）和氧化鉬（MoO）當做催化劑來提昇微晶之成長。
碳纖維之溴化反應在強度上產生明顯之提昇作用，硼蒸氣之加入可增加石墨纖維之勁度，我們相信硼原子不僅可增加石墨纖維之結晶度，而石墨纖維內其作用像一個固態溶液硬化元素，因而阻礙微晶之剪切變形而保持模數與強度之值，碳纖維之楊氏模數已被證實直接與最後熱處理溫度（HTT）有關。
圖4碳纖維碳化之拉伸強度與熱處理溫度（HTT）之關係
圖5碳纖維碳化之模數與熱處理溫度（HTT）之關係
Ø 瀝青基碳纖維:
瀝青基碳纖維所提供之性質有些是聚丙烯腈基碳纖維所不易得到的，聚丙烯腈基碳纖維在模數達 = 200 \* Arabic 200GPa時，有甚佳之強度，當模數增加時強度下降，且最高模數大約在 = 650 \* Arabic 650GPa。瀝青基碳纖維之模數可達到石墨理論之模數值 = 1000 \* Arabic 1000GPa，而且比聚丙烯腈基碳纖維有更好的熱與導電性，瀝青基碳纖維與聚丙烯腈基碳纖維之性質可視為互補作用，彼此可填充商業上之需要。
用來做為瀝青之生料可謂相當豐富且便宜，它們是石油及煤化學工業及某些純芳香族碳氫化合物之副產品。等向性及異向性瀝青擁有獨特之軟化點及好的可紡織性，能夠以熱變溶劑氫化及催化等方法來純化，接著熔融紡織、穩定化、碳化、石墨化表面處理及上漿(sizing)等。一般性能之碳纖維(GPCF)及高性能碳纖維(HPCF)皆可製得，有關瀝青製造碳纖維之程序說明於後，而GPCF及HPCF之性質則列於表2。
表1 瀝青製造碳纖維之程序
可用的已商業化瀝青基碳纖維有兩種明顯的種類，一為〝一般用途〞之碳纖維，其拉伸強度高至700MPa，模數為30–60GPa；另一為〝高性能〞碳纖維，拉伸強度高達4GPa，模數從180到900GPa皆有。還有另一種高性能碳纖維，其熱傳導性為1000Wm–1k–1，為銅的兩倍還大，用於製造這兩種不同等級纖維，在瀝青之加工及紡織技術上有很大的不同。
一般功能性之碳纖維（GPCF）係Otani在1963年開發成功，此纖維有時被認為屬於〝等向性的（isotropic）〞碳纖維，因它們係從等向性瀝青製得。這些瀝青生料係由石油裂解後之殘留重油再經精煉而得。這種碳纖維可用來做為高溫爐之絕緣材料、燃料電池之電極、及水泥填充料。由於市場不斷擴充，碳纖維輸出量亦持續增加，其他公司相繼投入開發此種材料之行列。
GPCF是一種便宜的碳纖維，它有一般碳纖維之優點像輕量、導電性、耐化學性、耐熱、耐磨等，它可以取代一般石綿產品（剎車片、密封材料、耐磨及絕緣材料）。GPCF亦可用做防護罩、抗靜電之刷子、導電性塑膠、紡織工業之耐火衣服、國防工業上之防護衣及防毒面具之用。
Taylor與Brooks兩人從含碳中間相（meophase）之發現開發高性能碳／石墨纖維，此技術後來成為開發瀝青基碳纖維之科學根基。隨後此項技術在1970年為UCC公司之L.S.Singer進一步之推展，這關鍵性理念即將瀝青生料轉變為中間相或液晶（Liguid crystal）之瀝青。UCC公司在1976年將它商業化，並為生產HPCF而建造一條年產230噸之生產線。從1979年到1982年，其商品名為Thornel P–100、P–120（拉伸強度2.2GPa，模數724–827GPa），等逐漸投入市場。中間相瀝青纖維轉變為碳纖維，其產率可達80–90％，而且僅需利用熱處理方式即可容易的開發成高模數碳纖維。這些纖維結構比聚丙烯腈纖維或螺縈基纖維更像石墨，且它們顯示甚高的熱傳導性、導電性、低熱膨脹係數等，例如中間相瀝青基碳纖維Thornel P–140之導熱性為銅的兩倍，其比導熱性（導熱性／密度）為銅的8倍，這些特殊之性質使得瀝青基碳纖維在航太工業上之應用大為提高。
在1980年，為了降低中間相之紡織溫度並提升其紡織性，減少碳纖維之製作成本，許多研究者開始開發新的中間相，特別是在日本及美國等科技發達的國家，因此一些新產品–新中間相、前中間相、潛伏的中間相（dormant–mesophase）及可溶的中間相等之專利相繼出籠，這些皆是為了開發高性能碳纖維與石墨纖維所需母材而出現。在1987年Mitsubishi公司建造可生產500噸瀝青基HPCF工廠，此HPCF之最大拉伸強度為3.0GPa，模數為734GPa。
Ø 嫘縈基碳纖維:
對於大量生產碳纖維而言，嫘縈毫無疑問的是重要的母材來源，嫘縈在進行裂解過程中並不需要熔解。但天然產的嫘縈像棉花和苧麻，用來生產碳纖維並不合適，原因是這些纖維皆不連續，方向性較低，內含一些不純材料像木質素，所燒成之碳纖維產率低且機械性質差，因而它們被視為比合成之嫘縈纖維次一等的纖維。用來製造碳纖維最普遍且常用之嫘縈纖維為紡織級嫘縈，它是一種再生的嫘縈，人造絲嫘縈纖維已經廣為做碳化之用。
從嫘縈纖維形成碳纖維包括三個步驟：（1）低溫分解（＜400℃）（2）碳化反應（＜1500℃）（3）石墨化反應（＞2500℃），由嫘縈母材裂解所得之碳纖維產率甚低（10到30％之間），這與母材纖維性質、加熱速度及環境有關。纖維素（Cellulose）母材之分子量，決定尾端數目用以做為裂解過程之起始反應扮演重要的角色。緩慢的加熱速度可得較高碳纖維之產率，但不經濟，因此裂解過程是在活性環境下進行，這些化學組成份改變分解過程之途徑，因而在低溫時較快之裂解反應發生，並造成較高產率之碳纖維。
低溫分解:
在嫘縈中纖維素單元內含有氫和氧，此結構在消去五個水分子後，造成重量損失高達70－90％。這種過多的重量損失歸因於包括CO2、CO、醇、酮及一些含碳化合物之鏈分解反應，另中間去氫反應產生左旋的葡萄糖（Levoglucosan）。裂解反應是在鈍氣進行的，在後續裂解過程中左旋的葡萄糖分解成揮發性碳化合物造成進一步碳的損失。
雖然纖維素材料之裂解已廣為研究，一些分解產物亦被鑑定，但對於纖維素完全轉變為碳纖維之詳細機構，首次為Bacon與Tang提出，他們使用紅外線光譜儀、熱重分析儀與氣體釋出之數據來研究再生纖維素纖維之裂解，與纖維加熱至500℃之結構變化。依據他們分析的結果，裂解的過程包括四個步驟，主要的裂解反應係在210℃與320℃之間發生，此階段約有90％之重量損失在此發生，重量損失變化在70－90％之間。這與生料材質、加熱速度有關，加熱速度儘量放慢，以避免過多的焦油形成並沉積在纖維上面，這些焦油會造成碳纖維之脆性及纖維結構之分裂。
低溫裂解之四個步驟。步驟Ⅰ為溫度25°－150℃，在這溫度範圍內纖維所吸收之水分被除去，造成大約12％之重量損失。另外，在進行此步驟時可觀察到，在側面分子排列有增加的趨勢。步驟Ⅱ為溫度150°－240℃，在這階段，纖維內存在的氫及氫氧鍵反應生成水而分裂，在赤道位置， 與 雙鍵形成。由紅外線光譜分析可確定，並指出去水過程主要是分子內之反應。步驟Ⅲ為溫度240°－400℃，纖維熱分解反應開始進行，熱裂解從 之熱分解所造成，在 接合發生時導致大量焦油、H2O、CO、CO2之生成。步驟Ⅳ為溫度＞400℃，每個纖維素單元切斷成含4個碳原子之殘留物，超過400℃，進行縮和反應除去氫氣再聚合成碳高分子，而生成像石墨之結構，圖1概略的說明四個反應步驟。
圖1 纖維素轉變成碳纖維之各種反應機構
在高溫下之碳化反應:
溫度在240°－400℃間，由纖維素所得焦炭萃取物之紅外線光譜分析，在CO群裡僅少數改變，在 雙鍵上實質上沒有變化，顯示 與 之共軛雙鍵原封不動。然而溫度超過400℃在紅外線光譜上顯現有微弱之 與 鍵存在。當溫度持續增加時， 鍵逐漸減少，此指出大約在400℃時嫘縈纖維由於 鍵之熱分解反應，使得主要分子斷裂，因此嫘縈纖維在1000℃到1500℃之高溫範圍內已準備碳化。碳化反應通常在鈍氣下進行，當高溫及張力下進行碳化反應可得較好的機械性質。但目前已發現纖維在石墨化過程中施以適當之張力亦可使機械強度進一步提升。
在500°－1000℃熱處理期間，發現纖維之電阻明顯的減少，此指出纖維具芳香族結構之碳分子形成，這些碳化反應所得之碳殘留物被認為係呋喃衍生物（Ⅵ）、（Ⅶ）。這些碳殘留物在提昇溫度後進行交連反應，在去氫後形成芳香族環的結構。
具各種分子方向性之再生纖維素在碳化反應前後，利用X-光繞射分析顯示，具高方向性嫘縈產生高方向性之碳纖維，此點指出石墨化層之形成係在原生纖維素鏈之方向，四-碳殘留物（呋喃衍生物）平行於b軸方向排列，沿著原先纖維素方向搭接在一起生成鏈高分子，鄰近的鏈縮合成六-碳石墨之結構，這種長軸聚合反應過程舉例說明於圖2。
圖2 纖維素環狀單元殘留物之長軸聚合反應成石墨結構
根據圖2之說明，纖維素b軸其長度為10.3Å，必須收縮成石墨b軸（8.25Å）2倍長，造成大約83％之長度產率（length yield）。
對於高度方向性纖維所觀測到的長度產率為76％，觀察所得之長度產率與理論間之差異，歸因於數個改變之反應，像在低溫碳化反應時，焦油之釋出造成鏈之短化。然而Ruland觀察到纖維素原有之方向性組織在240℃碳化過程間幾乎完全消失，且一直維持很低的方向性直至900℃。因此纖維素纖維擁有最大的起始方向性可製造出較低方向性之碳纖維，因此最大方向性上不足構成高方向性碳纖維之條件，除非石墨化反應在張力下進行。石墨化反應通常在溫度超過2800℃，張力下進行，所製得之石墨纖維之楊氏模數直接與石墨化反應有關。
圖3 石墨化反應至2800℃，拉伸對石墨纖維之楊氏模數之影響
由於複合材料（Polymeric Composite）具有高強度、高勁度、質量輕、耐腐蝕以及抗磨損等特性，已運用於航太工業、汽車工業、船舶工業、醫療以及運動器材上。複合材料種類繁多，其中使用最久應用最廣者，當屬纖維強化高分子複合材料。在航太工業中，由於飛機必須抗拒重力才能在空中飛翔，因此減輕重量一直是飛機製造者追求的目標。飛機在起飛與降落時承受複雜的應力變化，在數小時或長時間的飛行中，同時暴露於嚴苛的環境變化下，因此飛機所使用的材料必須能得起外界的衝擊。而複合材料具有高比強度(specific strength）和高比勁度(specific stiffness)，減重效果良好，所以愈來愈廣泛的應用於飛機上。
複合材料顧名思義是由兩種以上的材質所組合而成，一般來講，是由基材(matrix)及補強材(reinforcements)所構成。基材是材料組成裏連續的材質，而補強材則為其中不連續的材質。通常補強材的機械強度要比基材高，才能夠補強基材，使合成的複合材料得到較佳的機械強度。然而，複合材料的性質並不同於其構成的任一材料，而是呈現另一種新的材料性質。
複合材料種類繁多，其中應用廣者，當屬纖維補強之高分子複合材料，而其基本的組成為纖維及高分子基材 。纖維是決定複合材料機械性質的主要因素，用以承受主要負載，限制微裂紋延伸，提高材料剛性與抗疲勞及潛變性能等，高分子一般分為熱塑性塑膠(thermoplastic)及熱固性塑膠(thermoset)兩大類，而纖維則有不同的材料及形式，常用的有玻璃纖維、碳纖維、Ｋevlar纖維、硼纖維、及碳化矽纖維幾種，形式上有短纖、連續長纖、編織纖維、及粉狀纖維等。在航太工業的應用上，因為對於材料強度的要求較高，所以在強化纖維的選擇上，通常以連續長纖為主。
常用纖維材料種類：
玻璃纖維
常用的玻璃纖維一般可分為E-glass、S-glass、C-glass三種：
E-glass:
為鈣-硼矽玻璃纖維，用於一般之補強塑膠，電氣性質甚為優良。
S-glass:
具高強度及高彈性係數，用於太空方面，與E-glass比較，比重小約2%，抗拉力約大35%，而彈性係數約大20%。
C-glass:
為鈉-鈉-硼矽玻璃纖維，耐化學品侵蝕的性質優良，適合於耐腐蝕性之纖維複合材料製品。
碳纖維
纖維其含碳量在99%以上者稱為石墨纖維，若在93%-95%之間，則稱為碳纖維。一般是在高溫下，以熱分解的方式將預形體(precursor)碳化成碳纖維。預形體的材質有嫘縈(rayon)、聚丙烯睛(PAN)纖維、及瀝青(pitch)，而PAN系列碳纖維為目前商業化的主流。
嫘縈(rayon)
最早用來製作碳纖維的原料。
聚丙烯睛(PAN)纖維
成本比嫘縈絲低，製作的碳纖維在抗拉強度可達 2.4GPa~3.1 GPa，彈性率 0.2~0.5 GPa。
瀝青(pitch)
若將等向性分子瀝青直接做成碳纖維，因分子不具方向性，所以機械性質低，用途有限。如果在 400℃~450℃ 的惰性氣體中長期處理，可將瀝青轉換成液晶瀝青(liquid crystal)的形態，因具有優勢的分子順向排列，可製成高性能的碳纖維。
Kevlar纖維
Kevlar為商業化的芳香聚醯銨纖維，為人造的有機纖維。具低密度、高強度、及低成本。一般而言與高分子基材的相容性不佳，因此製成的複合材料抗壓強度較低。常用的有 Kevlar 29 及 Kevlar 49。
硼纖維
幾乎所有的硼纖維都用來製作硼/環氧樹脂複合材料，硼纖維是用化學氣相沉積法將硼沉積於鎢絲上，鎢絲表面和硼反應後其直徑約17.5 mm，而硼纖維的直徑約 100 mm，如下圖所示。因為硼纖維的製作成本遠高於碳纖維，因此在高分子複材方面，幾乎為碳纖維所取代。
碳化矽纖維
碳化矽纖維亦是由化學氣相沉積法製成，其直徑約140mm。因為碳化矽纖維能承受較高的溫度，在 1000 ℃ 左右還能保持約50%的強度，所以大部份都使用在金屬基的鋁或鈦合金複合材料上。
l 碳纖維的製造
Ø 聚丙烯腈母材纖維之穩定化:
將聚丙烯腈母材纖維燒成高強度之碳纖維，中間過程必須經過一個重要的步驟即穩定化（stabilization），這處理過程之適當性影響後續燒結最終成品之碳纖維機械性質甚巨，故不得不慎重。穩定化過程係聚丙烯腈母材纖維在氧氣環境下；低溫狀況施以一定之張力做熱處理，這時聚丙烯腈纖維之化學結構發生變化，由原線性分子結構轉變為環狀之分子結構，其熔點亦隨著分子結構之不同而逐漸升高。穩定化過程通常是聚丙烯腈纖維在氧化氣流下空氣溫度範圍從180℃到300℃，控制加熱速度，一般為1~2℃/min，穩定化過程主要有三種反應：
（1）環化反應（Cyclization）。
（2）脫氫反應（Dehydrogenation）。
（3）氧化反應。
聚丙烯腈纖維進行穩定化過程中，纖維顏色一直在改變，由黃色、棕色、以至於最後之黑色。這種顏色變化象徵纖維內分子結構之改變，由聚烯（Polyene）結構到形成碳氮雙鍵（C=N）縮環之結構，即所謂梯形結構。這些反應過程中皆為放熱反應，脫氫及環化反應之放熱量分別為-242.67KJ/mole及-58KJ/mole。
聚丙烯腈母材纖維在空氣中加熱，促使脫氫反應而造成雙鍵之形成，最後生成穩定之梯形分子結構。這穩定化過程主要受（1）在纖維上張力之變化（2）熱處理溫度（3）處理中之媒介（4）前穩定化處理等之影響。一般而言，在穩定化過程中，聚丙烯腈之附屬氰基群，首先交連成梯形高分子結構，此過程之起始反應是藉由少量活性之共聚合物像2-亞甲基丁二酸（Itaconic acid）來催化。在穩定化過程中，氧分子亦參與梯形高分子反應，因而出現幾個可能之梯形分子結構。聚丙烯腈纖維在經過環化反應及穩定化後，導致纖維大量之收縮，由於在長軸方向受到機械拉力而阻止收縮發生，但纖維之直徑因而減小。
Ø 聚丙烯腈母材纖維之碳化:
聚丙烯腈纖維在碳化過程中，已穩定化母材纖維碳纖維，其熱處理係在鈍氣及很小張力，溫度高至1500℃之下進行的。在這熱處理過程中所有的元素，除了碳元素外，幾乎以副產物之形式被消去而形成像石墨之結構。
在碳化過程中，加熱速度在兩個區域內控制甚嚴苛，第一個區域溫度高至600℃，加熱速度要很低（小於5℃/min），質傳（Mass Transfer）要緩慢，因在高的加熱速度下，快速之質傳會造成纖維因細孔之形成，使得表面不規則性。這區域控制嚴格之另一原因是此區域進行大部分化學反應及揮發性產物之蒸發，水氣蒸發是因梯形高分子鏈含氧群進行交鏈反應之故。第二個區域，溫度介於600℃到1500℃之間，使用較大的加熱速度係為了要減少纖維因放熱反應或副產物之揮發造成可能之傷害。這些反應在600℃下大部分已完成，在這加熱區域包含N2、HCN及H2等氣體產生，H2及HCN係高分子鏈分子間交連反應之產物，氫氣之釋出係去氫反應之結果。
已穩定化分子鏈分子拉伸結構，聚丙烯腈纖維之纖維束在鈍氣中進行熱分解，非碳元素以揮發物（例如H2O、HCN、NH3、CO、CO2、NH3等）被除去而得到單純碳纖維，其產率大概是原來聚丙烯腈母材纖維之50％。碳化過程初期加熱速度相當慢，故揮發物之釋出並不損壞到纖維，大部分之揮發物在低於1000℃下皆已逃掉，僅剩少數氮元素（~6％）殘留著。
在碳化反應初期，溫度在400~500℃範圍，存在於已氧化聚丙烯腈內之氫氧基開始進行交連縮合反應，它能幫助已環化部分之重組與接合，此交連反應可固定高分子之結構，剩下之線性結構部分一則變成環化或進行鏈分裂而釋出氣體產物。這些已環化結構進行去氫反應，並在側面方向開始連接，產生側面方向由氮原子鍵結而成之三個六邊形組成之類石墨結構。
圖1聚丙烯腈裂解期間所釋放出之氣體
圖2已穩定化之PAN纖維經由含氧基進行分子間交連反應
圖3從PAN製備碳纖維之概略圖
已氧化之聚丙烯腈纖維在高產率下，製得高功能之碳纖維，原因是此時之聚丙烯腈已具芳香族之特性，此芳香族之特性可阻礙主鍵之碳鏈在擴展時分離。聚丙烯腈纖維在鈍氣下進行穩定化，在低溫時芳香族化並不容易發生，因此導致在高溫時使得碳鏈分離而造成碳纖維低的產率及較差之機械強度。碳纖維之產能可藉已氧化之聚丙烯腈纖維，在HCl氣體下進行碳化反應，或利用在乾淨抽絲房紡絲所得之聚丙烯腈纖維來提昇。碳化反應在HCl氣體下進行，氮元素以NH3之副產物之消去反應，而減少HCN之量，它同時有一明顯的去氫作用及氧元素以水蒸氣之釋出之消去反應，碳之產率因而增加。在乾淨空氣中進行聚丙烯腈纖維之紡絲，使得纖維表面缺陷減少，因而後續碳化所得之碳纖維有較好的機械性質。
Ø 聚丙烯腈母材纖維之石墨化:
聚丙烯腈纖維經碳化反應後已具有小微晶之結構，增加微晶之尺寸使得碳纖維結晶更完整，但微晶之規則排列則需藉助於纖維在1500℃以上之熱處理。此熱處理過程係在張力鈍氣下加熱碳纖維，溫度控制在2000－2500℃，甚至高至3000℃。不用氮氣作為鈍氣媒介之原因，係超過2000℃以上氮會變成活性分子且與碳纖維反應成為氰基（ ）。當碳纖維之溫度在1800－3000℃時，利用電流經過碳纖維來提高結晶之完美性。碳纖維在熱處理期間，利用某些金屬氧化物像氧化鉻（CrO）、二氧化錳（MnO2）、氧化釩（VO）和氧化鉬（MoO）當做催化劑來提昇微晶之成長。
碳纖維之溴化反應在強度上產生明顯之提昇作用，硼蒸氣之加入可增加石墨纖維之勁度，我們相信硼原子不僅可增加石墨纖維之結晶度，而石墨纖維內其作用像一個固態溶液硬化元素，因而阻礙微晶之剪切變形而保持模數與強度之值，碳纖維之楊氏模數已被證實直接與最後熱處理溫度（HTT）有關。
圖4碳纖維碳化之拉伸強度與熱處理溫度（HTT）之關係
圖5碳纖維碳化之模數與熱處理溫度（HTT）之關係
Ø 瀝青基碳纖維:
瀝青基碳纖維所提供之性質有些是聚丙烯腈基碳纖維所不易得到的，聚丙烯腈基碳纖維在模數達 = 200 \* Arabic 200GPa時，有甚佳之強度，當模數增加時強度下降，且最高模數大約在 = 650 \* Arabic 650GPa。瀝青基碳纖維之模數可達到石墨理論之模數值 = 1000 \* Arabic 1000GPa，而且比聚丙烯腈基碳纖維有更好的熱與導電性，瀝青基碳纖維與聚丙烯腈基碳纖維之性質可視為互補作用，彼此可填充商業上之需要。
用來做為瀝青之生料可謂相當豐富且便宜，它們是石油及煤化學工業及某些純芳香族碳氫化合物之副產品。等向性及異向性瀝青擁有獨特之軟化點及好的可紡織性，能夠以熱變溶劑氫化及催化等方法來純化，接著熔融紡織、穩定化、碳化、石墨化表面處理及上漿(sizing)等。一般性能之碳纖維(GPCF)及高性能碳纖維(HPCF)皆可製得，有關瀝青製造碳纖維之程序說明於後，而GPCF及HPCF之性質則列於表2。
表1 瀝青製造碳纖維之程序
可用的已商業化瀝青基碳纖維有兩種明顯的種類，一為〝一般用途〞之碳纖維，其拉伸強度高至700MPa，模數為30–60GPa；另一為〝高性能〞碳纖維，拉伸強度高達4GPa，模數從180到900GPa皆有。還有另一種高性能碳纖維，其熱傳導性為1000Wm–1k–1，為銅的兩倍還大，用於製造這兩種不同等級纖維，在瀝青之加工及紡織技術上有很大的不同。
一般功能性之碳纖維（GPCF）係Otani在1963年開發成功，此纖維有時被認為屬於〝等向性的（isotropic）〞碳纖維，因它們係從等向性瀝青製得。這些瀝青生料係由石油裂解後之殘留重油再經精煉而得。這種碳纖維可用來做為高溫爐之絕緣材料、燃料電池之電極、及水泥填充料。由於市場不斷擴充，碳纖維輸出量亦持續增加，其他公司相繼投入開發此種材料之行列。
GPCF是一種便宜的碳纖維，它有一般碳纖維之優點像輕量、導電性、耐化學性、耐熱、耐磨等，它可以取代一般石綿產品（剎車片、密封材料、耐磨及絕緣材料）。GPCF亦可用做防護罩、抗靜電之刷子、導電性塑膠、紡織工業之耐火衣服、國防工業上之防護衣及防毒面具之用。
Taylor與Brooks兩人從含碳中間相（meophase）之發現開發高性能碳／石墨纖維，此技術後來成為開發瀝青基碳纖維之科學根基。隨後此項技術在1970年為UCC公司之L.S.Singer進一步之推展，這關鍵性理念即將瀝青生料轉變為中間相或液晶（Liguid crystal）之瀝青。UCC公司在1976年將它商業化，並為生產HPCF而建造一條年產230噸之生產線。從1979年到1982年，其商品名為Thornel P–100、P–120（拉伸強度2.2GPa，模數724–827GPa），等逐漸投入市場。中間相瀝青纖維轉變為碳纖維，其產率可達80–90％，而且僅需利用熱處理方式即可容易的開發成高模數碳纖維。這些纖維結構比聚丙烯腈纖維或螺縈基纖維更像石墨，且它們顯示甚高的熱傳導性、導電性、低熱膨脹係數等，例如中間相瀝青基碳纖維Thornel P–140之導熱性為銅的兩倍，其比導熱性（導熱性／密度）為銅的8倍，這些特殊之性質使得瀝青基碳纖維在航太工業上之應用大為提高。
在1980年，為了降低中間相之紡織溫度並提升其紡織性，減少碳纖維之製作成本，許多研究者開始開發新的中間相，特別是在日本及美國等科技發達的國家，因此一些新產品–新中間相、前中間相、潛伏的中間相（dormant–mesophase）及可溶的中間相等之專利相繼出籠，這些皆是為了開發高性能碳纖維與石墨纖維所需母材而出現。在1987年Mitsubishi公司建造可生產500噸瀝青基HPCF工廠，此HPCF之最大拉伸強度為3.0GPa，模數為734GPa。
Ø 嫘縈基碳纖維:
對於大量生產碳纖維而言，嫘縈毫無疑問的是重要的母材來源，嫘縈在進行裂解過程中並不需要熔解。但天然產的嫘縈像棉花和苧麻，用來生產碳纖維並不合適，原因是這些纖維皆不連續，方向性較低，內含一些不純材料像木質素，所燒成之碳纖維產率低且機械性質差，因而它們被視為比合成之嫘縈纖維次一等的纖維。用來製造碳纖維最普遍且常用之嫘縈纖維為紡織級嫘縈，它是一種再生的嫘縈，人造絲嫘縈纖維已經廣為做碳化之用。
從嫘縈纖維形成碳纖維包括三個步驟：（1）低溫分解（＜400℃）（2）碳化反應（＜1500℃）（3）石墨化反應（＞2500℃），由嫘縈母材裂解所得之碳纖維產率甚低（10到30％之間），這與母材纖維性質、加熱速度及環境有關。纖維素（Cellulose）母材之分子量，決定尾端數目用以做為裂解過程之起始反應扮演重要的角色。緩慢的加熱速度可得較高碳纖維之產率，但不經濟，因此裂解過程是在活性環境下進行，這些化學組成份改變分解過程之途徑，因而在低溫時較快之裂解反應發生，並造成較高產率之碳纖維。
低溫分解:
在嫘縈中纖維素單元內含有氫和氧，此結構在消去五個水分子後，造成重量損失高達70－90％。這種過多的重量損失歸因於包括CO2、CO、醇、酮及一些含碳化合物之鏈分解反應，另中間去氫反應產生左旋的葡萄糖（Levoglucosan）。裂解反應是在鈍氣進行的，在後續裂解過程中左旋的葡萄糖分解成揮發性碳化合物造成進一步碳的損失。
雖然纖維素材料之裂解已廣為研究，一些分解產物亦被鑑定，但對於纖維素完全轉變為碳纖維之詳細機構，首次為Bacon與Tang提出，他們使用紅外線光譜儀、熱重分析儀與氣體釋出之數據來研究再生纖維素纖維之裂解，與纖維加熱至500℃之結構變化。依據他們分析的結果，裂解的過程包括四個步驟，主要的裂解反應係在210℃與320℃之間發生，此階段約有90％之重量損失在此發生，重量損失變化在70－90％之間。這與生料材質、加熱速度有關，加熱速度儘量放慢，以避免過多的焦油形成並沉積在纖維上面，這些焦油會造成碳纖維之脆性及纖維結構之分裂。
低溫裂解之四個步驟。步驟Ⅰ為溫度25°－150℃，在這溫度範圍內纖維所吸收之水分被除去，造成大約12％之重量損失。另外，在進行此步驟時可觀察到，在側面分子排列有增加的趨勢。步驟Ⅱ為溫度150°－240℃，在這階段，纖維內存在的氫及氫氧鍵反應生成水而分裂，在赤道位置， 與 雙鍵形成。由紅外線光譜分析可確定，並指出去水過程主要是分子內之反應。步驟Ⅲ為溫度240°－400℃，纖維熱分解反應開始進行，熱裂解從 之熱分解所造成，在 接合發生時導致大量焦油、H2O、CO、CO2之生成。步驟Ⅳ為溫度＞400℃，每個纖維素單元切斷成含4個碳原子之殘留物，超過400℃，進行縮和反應除去氫氣再聚合成碳高分子，而生成像石墨之結構，圖1概略的說明四個反應步驟。
圖1 纖維素轉變成碳纖維之各種反應機構
在高溫下之碳化反應:
溫度在240°－400℃間，由纖維素所得焦炭萃取物之紅外線光譜分析，在CO群裡僅少數改變，在 雙鍵上實質上沒有變化，顯示 與 之共軛雙鍵原封不動。然而溫度超過400℃在紅外線光譜上顯現有微弱之 與 鍵存在。當溫度持續增加時， 鍵逐漸減少，此指出大約在400℃時嫘縈纖維由於 鍵之熱分解反應，使得主要分子斷裂，因此嫘縈纖維在1000℃到1500℃之高溫範圍內已準備碳化。碳化反應通常在鈍氣下進行，當高溫及張力下進行碳化反應可得較好的機械性質。但目前已發現纖維在石墨化過程中施以適當之張力亦可使機械強度進一步提升。
在500°－1000℃熱處理期間，發現纖維之電阻明顯的減少，此指出纖維具芳香族結構之碳分子形成，這些碳化反應所得之碳殘留物被認為係呋喃衍生物（Ⅵ）、（Ⅶ）。這些碳殘留物在提昇溫度後進行交連反應，在去氫後形成芳香族環的結構。
具各種分子方向性之再生纖維素在碳化反應前後，利用X-光繞射分析顯示，具高方向性嫘縈產生高方向性之碳纖維，此點指出石墨化層之形成係在原生纖維素鏈之方向，四-碳殘留物（呋喃衍生物）平行於b軸方向排列，沿著原先纖維素方向搭接在一起生成鏈高分子，鄰近的鏈縮合成六-碳石墨之結構，這種長軸聚合反應過程舉例說明於圖2。
圖2 纖維素環狀單元殘留物之長軸聚合反應成石墨結構
根據圖2之說明，纖維素b軸其長度為10.3Å，必須收縮成石墨b軸（8.25Å）2倍長，造成大約83％之長度產率（length yield）。
對於高度方向性纖維所觀測到的長度產率為76％，觀察所得之長度產率與理論間之差異，歸因於數個改變之反應，像在低溫碳化反應時，焦油之釋出造成鏈之短化。然而Ruland觀察到纖維素原有之方向性組織在240℃碳化過程間幾乎完全消失，且一直維持很低的方向性直至900℃。因此纖維素纖維擁有最大的起始方向性可製造出較低方向性之碳纖維，因此最大方向性上不足構成高方向性碳纖維之條件，除非石墨化反應在張力下進行。石墨化反應通常在溫度超過2800℃，張力下進行，所製得之石墨纖維之楊氏模數直接與石墨化反應有關。
圖3 石墨化反應至2800℃，拉伸對石墨纖維之楊氏模數之影響
產業分析
簡介---高分子複合材料
何謂高分子複合材料？
Answer︰複合材料係將二種以上原材料，結合成具綜效的設計性材料，其原材料取自金屬、陶瓷、有機材料，可直接製成終端成品，滿足單一材料所不能達到的性能，尤其是結構強度方面，列為構造材料中的重要材料。近年來，由於電子資訊產業蓬勃發展，我國複合材料產業重心逐漸由結構用高分子複合材料轉移至功能性複合材料。
高分子復合材料的起源與應用：
About 30% of all polymers produced each year are used in the civil engineering and building industries. Polymers offer many advantages over conventional materials including lightness, resilience to corrosion and ease of processing. They can be combined with fibers to form composites which have enhanced properties, enabling them to be used as structural members and units. Polymer composites can be used in many different forms ranging from structural composites in the construction industry to the high technology composites of the aerospace and space satellite industries.Polymer composites were first developed during the 1940’s, for military and aerospace applications. Considerable advances have been made since then in the use of this material and applications developed in the construction sector. Load bearing and infill panels have been manufactured using composites. Complete structures have been fabricated where units manufactured from glass-reinforced polyester are connected together to form the complete system in which the shape provides the rigidity. Glass-reinforced plastics have been used in many other applications including pressure pipes, tank liners, and roofs.In contrast to the design procedures used for the more traditional construction materials, those for polymer composite materials in structural applications require greater development effort and a wider understanding of the material. The material properties of the final component are the result of a design process that considers many factors which are characterized by the anisotropic behavior of the material and cover the micro-mechanical, elasticity, strength and stability properties. These properties are influenced by manufacturing techniques, environmental exposure and loading histories. Designing with composites is thus an interactive process between the design of the constituent materials used, the design of the composite material and an understanding of the manufacturing technique for the composite component.In the last decade, polymer composites have found application in the construction sector in areas such as bridge repair, bridge design, mooring cables, structural strengthening and stand-alone components
其他相關高分子複合材料
功能性複合材料：後PC時代來臨，人類對資訊使用的模式，將由PC應用移轉到以網際網路為核心，發展大量且快速的無線傳輸。高頻介電複合材料在高頻通訊市場具有極大的潛力，而高頻通訊基板開發重點將朝向低介質化、低熱膨脹量、薄形多層化、高耐熱化等特性之材料開發。在高分子介電複合材料方面，國內研發機構已完成高頻、衛星通訊用（>5GHz）玻璃布強化氟系高頻基板材料技術開發。
奈米高分子複合材料：過去十年來，奈米級複合材料已被發現比傳統複合材料更具優異的性質，而層狀材料分散於高分子基材中的應用是有機無機複合材料最重要的一環，目前已在工業與學術界掀起研究與應用的熱潮。產業界對複合材料使用性能的要求愈來愈高，而奈米材料的問世，為新型複合材料的合成提供了新的契機，也為傳統複合材料的物性改良提供了一條新的途徑。
產業範疇
複合材料業包含二大領域：
1.塑膠合金：PC/ABS、PA/PPE、PP/PPE、PC/PBT、PS/PPE…等。
2.纖維補強複合材料：在塑膠原料中加入玻璃纖維、碳纖維、礦物質等添加物來改善物性)。
產業概況
一、台灣複合材料產業現況說明
(一)、台灣自民國五十四年引進複合材料技術，用以從事遊艇製造，代表台灣複合材料時代的來臨，前後締造多項稱霸全球的產業，如：遊艇、碳纖球拍、高爾球桿等運動器材，以及最近的電路基板等。目前複合材料產業在全世界年產能約六百餘萬噸，台灣約佔三十餘萬噸，全年產值達新台幣六百餘億元，該行業在台從業人員約一萬人，共約四百家企業，內外銷比率為33：67，研發費用佔營業額比率為0.6%；但隨著國際局勢的演變，生產基地外移已成為台灣產業經營上之必然課題，而高分子複合材料（強化塑膠）也將無法置身於外；碳纖球拍、高爾球桿等生產基地目前已全部外移，電路板也逐步西進，如何應用大陸生產人力，增強產業實力，防止台灣母廠空洞化，成為當前立足台灣每個人的嚴肅課題。
(二)、台灣複合材料產業產品架構 由表一所示，我國複合材料產量以印刷電路基板最多，佔全部產量約2/3，其次為熱塑性複合材料，因環保意識抬頭，可回收之熱塑性產量顯然高於熱固性複合材料，此乃全世界趨勢，碳纖維複合材料產量雖最小，但附加價值高，具有發展潛力。
二、複合材料產業面臨之環境因素
複合材料產業目前所面臨之問題計有下列幾項：
(一)、產業結構脆弱：上游原料來源之掌控能力不足，亦無龐大內銷市場。
(二)、受國際市場影響大：如上次全球能源危機，就對當時的遊艇業造成極大的衝擊。
(三)、傳統市場發展有限：我國現階段土地及人工成本，已無早期從事複合材料產業之優勢，故此部分工 廠，可考慮外移。
(四)、外移情況嚴重：我國加入WTO後，內需產業將無任何保護傘可依靠，廠商紛紛外移至生產成本低廉的地區。
(五)、產業轉型刻不容緩：面對全球化的競爭，必須及早調整經營策略，重視產業升級轉型。
(六)、競爭激烈：中國大陸廉價土地及勞工，使台商、港商、韓商不斷投進各種技術和資金，因此大陸在複合材料上的進展不可忽視，將會對我國逐漸構成威脅。
三、複合材料產業發展願景、方向及目標
(一)、發展願景
我國複合材料業如欲與國際業者競爭，應有下列輝弘願景：
1、成為世界複合材料原料重要供應國。
2、成為亞洲複合材料專業設計中心。台灣設計及經營管理能力，一向傲視全球，若能好好發揮，再利用大陸後段加工製造優勢，成為亞洲複合材料專業設計中心，應是易於達成之事。
(二)、發展方向
為達上述之願景，複合材料產業應向下列之方向邁進：
1、整合生產技術與市場行銷，形成配套跨國性經營制度。
2、發揮國人在複合材料技術之睿智，使之成為技術性勞力密集產業。
3、充分並有效利用政府、學研機構之資源。
4、擴大內需市場：如交通、公共工程等重大工程建設。
5、從臺灣看世界：引進歐美新穎設計，師法日本的製造技術，利用台灣本身優勢，再結合大陸廉價的土地、人工，使我國的競爭力達到世界級的地位。
(三)、發展目標
有了上述願景與方向後，國內複合材料業者應訂定下列發展目標：
1、調整產業結構、合併小廠、增加接單能力：我國加入WTO，產業必須面對全球化的競爭，內需產業將無任何保護傘可依靠，因此必須及早調整經營策略，或許美國汽車零件複材商的策略聯盟、合夥經營或併購等調整方式，值得大家參考。
2、發揮高品質與高技術產品提昇附加利潤。
3、2010年達1500億之產值目標。
4、建立成為全球最大電子級玻璃纖維之生產與供應國。
四、國內工業材料產業的未來展望
(一)發展方向
依據我國新興產業發展政策，初步選出多項金屬材料、電子材料暨化學材料候選項目，然後考量市場機會和台灣產業條件，訂出各種評分標準要素及權重，再由專家學者逐項評估，完成「市場魅力度v.s.台灣適合度評估區位圖」，最後，經產官學研專家座談討論，遴選出國內未來工業材料產業發展重點潛力產品。謹說明如下：
化學材料產業：重整石化產銷結構、技術本土化、提升使用層次和由DEM走向ODM是努力的方向。需長期研發的重點有：環保新材料(Eco-materials)、低煙無毒片狀／團狀模造材、車輛／飛機內裝材、長纖維／熱塑預浸材、連續纖維預浸材、高剛性高阻尼材料、高分子複合材料補強混凝土、人造木材、高結晶性／難燃性聚丙烯(PP)、向同立構聚苯乙烯 (Syndiotacic PS)、液晶高分子、聚酯醯胺、氣體輔助射出成形等產品；宜由業者主導推動的重點有碳纖維自行車架／高爾夫球桿、電磁遮蔽／靜電消散材、強化塑膠地下管道、地工織物、低毒低煙電絕緣被覆材、PC樹脂／染色樹脂、尼龍66樹脂等產品。
(二)未來展望
配合政府發展台灣成為亞太製造中心和科技島的前提，材料產業將扮演不可或缺的樞紐角色，現階段是以協助產業發展為主要目標，中長程必須掌握自主的關鍵性材料與零組件。在良好的投資環境配合下，將能達成下述階段性指標：
化學材料產業：從廣義言，化學材料業涵蓋上游石化業及下游塑膠、橡膠、複合材料、人造纖維等產業，基於「全球氣候變化公約」限制，必須減少二氧化碳的排放量回到1990年的水準，因此減少能源使用量、提升能源使用效率和增加二氧化碳的回收成為當務之急，否則勢將增加國內石化及鋼鐵工業的生產成本，也是材料工程師面臨的嚴格挑戰。
材料產業發展趨勢
◎ 全球市場缺口以亞洲為主，各方關注與加碼投資(中國大陸)
◎ 台商面對市場壓力增大
◎市場經濟 vs. 計畫經濟(利潤下降、訂單流失)
◎產品性能提升(高值化)
◎泛用塑膠性能提升
◎功能性包裝材、metallocene olefin、薄壁材、奈米複合材、智慧型材料、、、
◎工程塑膠用量增加
◎高溫PA、高流動性PA、PA/ABS、PC/ABS、PC/PBT、奈米複合材料
◎材料、零件、下游廠商進行合作與聯盟
◎國內材料業者與新興產業互動緊密度仍需提升
◎新興產業材料需求規模有待提升與開發
◎綠色產品比重上升
◎綠色產品認證機制的建立
◎環保型材料的使用(再生料、無鹵難燃材料、氧化烯烴)
◎環保型添加劑、色料使得成本上升
五、提升全球競爭力之發展策略
除了複合材料業者進行上述方向、目標之努力外，政府與業者尚應著手下列發展策略，以提升全球競爭力：
(一)、有效檢討政府擬定之獎勵、輔助計劃或措施，設立監督、驗收制度：因大陸有廉價土地及勞工等良好的發展條件，政府更應擬定獎勵、輔助計劃或措施，以協助有發展潛力之廠商。
(二)、建立複合材料產業之獨立資訊系統。
(三)、成立複合材料策略聯盟(行銷、設計、製造可分工營運)：可仿造國外原料廠與加工廠策略聯盟方式。
(四)、政府制定複材製品列入重大工程之標準規範與制定。
(五)、對關鍵性技術之業界，確立有效之獎勵措施。
六、具體行動方案
在整體目標、策略規劃下，個人認為複合材料業者可採取之短、中期具體行動方案有下列幾點：
(一)、加強拓展美、日複合材料市場(指高分子複合材料中之GF/UP)：根據統計美國複材製品使用量每年達180萬噸，日本每年約60萬噸，台灣約5萬噸，若能搶佔美國複材製品5%的市場，對國內業者助益便十分可觀;因此應加強對美、日複材市場進行調查與區分及擴展，並利用工業合作機會，爭取國外廠商訂單及產品認證。
(二)、成為亞洲複合材料專業設計中心：國內工研院、中科院、漢翔公司等單位，複材設計技術位居亞洲領先地位，如能整合此複材技術，協助國內複材廠商進行設計製造達到互補的功能， 應可成為亞洲複合材料設計製造之領導者。
(三)、擴大複合材料在公共工程應用範圍：協調政府相關單位，將複合材料製品列入公共工程招標規範(如橋樑、防震工程、軌道車輛...)，並訂國家標準(CNS)使業界有所遵循，擴大複合材料應用之市場。
國內材料大廠的概況
新崛起的節能材料產業為碳纖維相關領域，碳纖維除了用途廣泛之外(航空領域佔20%，工業領域最高有60%，運動器材產業則佔了20%)，在節能方面效益更高，比如說碳纖維重量雖然只是鋁的50%、是鋼鐵的20%，但硬度卻是鋼鐵的十倍，實驗證明一公分的碳纖維甚至可吊起一．五噸的重物，顯示出碳纖維的超高節能效果。也因此在鋼鐵等原物料價格大漲後，專家便預測未來將有更多的金屬被這種夢幻材料所取代，從美國的碳纖維公司ZOLTEK去年還在虧損、今年也只能小賺，但股價已經大漲二0餘倍，可以看出碳纖維股股價的爆發力。
在台股中已有不少個企業在這個領域深耕佈局，目前開花結果的公司包括有台塑、和成、永裕、明安等，未來反應在股價的走勢上，低價的永裕股本最小，近期的飆漲將碳纖維的利多題材發揮到淋漓盡致，永裕透過100%轉投資新永裕應用科技材料公司研發出的碳纖維未來應用端正是目前最hot的替代能源領域，結合經濟部業界科專、國內大學及工研院的技術，新永裕研發出氣相成長碳纖維(VGCF)材料，可用於鋰二次電池負極材料、燃料電池雙極板及碳紙碳布、乾電池碳棒碳粉等，碳纖維材料算是一種添加劑，若加入鋰電池中負極材料中，不但可延長鋰電池的壽命，更可加快充放電速度，目前已送鋰電池大廠認證中，預期最快下半年即有佳績傳來，而反應碳纖維的高成長題材，永裕在十四元以下整理九年後也啟動了新股掛牌才有的蜜月行情漲勢，從永裕越漲量越縮的現象來看，永裕也將成為碳纖維族群散動比價漲升走勢的指標。
相較於永裕目前僅提供給像工研院等學術研究單位、學校、公司研發單位，仍未大量出貨，和成0四年成立科技陶瓷處，透過中科院國防科技的技轉開發出商機也相當龐大的碳纖維複合材料，目前已正式商品化，並運用在滑鼠及手機上，在永裕股價淨值比拉升至一．八倍後，目前股價淨值比僅一．一倍的和成也有比價漲升潛力。
另外，高爾夫球杆頭的明安(8938)算是目前碳纖維族群中實際營運貢獻比重最高的個股，去年明安的複合材料包括自行車前叉及碳纖維布的營運比重約十，今年在常熟廠加入生產及產能、應用擴增下，整體複合材料營收可達十一億元，YoY達六成，預期佔明安今年營運比重將可望拉升到15%的水準，而這還不含擴大複合材料事業，將觸角延伸至航空座椅的航太領域的效益。由於明安過去幾年已都是高獲利的代表，未來一旦碳纖維航空座椅通過耐燃測試順利完成認證，複合材料可望成為推升明安未來業績大成長的一股動能之一。
何謂高分子複合材料？
Answer︰複合材料係將二種以上原材料，結合成具綜效的設計性材料，其原材料取自金屬、陶瓷、有機材料，可直接製成終端成品，滿足單一材料所不能達到的性能，尤其是結構強度方面，列為構造材料中的重要材料。近年來，由於電子資訊產業蓬勃發展，我國複合材料產業重心逐漸由結構用高分子複合材料轉移至功能性複合材料。
高分子復合材料的起源與應用：
About 30% of all polymers produced each year are used in the civil engineering and building industries. Polymers offer many advantages over conventional materials including lightness, resilience to corrosion and ease of processing. They can be combined with fibers to form composites which have enhanced properties, enabling them to be used as structural members and units. Polymer composites can be used in many different forms ranging from structural composites in the construction industry to the high technology composites of the aerospace and space satellite industries.Polymer composites were first developed during the 1940’s, for military and aerospace applications. Considerable advances have been made since then in the use of this material and applications developed in the construction sector. Load bearing and infill panels have been manufactured using composites. Complete structures have been fabricated where units manufactured from glass-reinforced polyester are connected together to form the complete system in which the shape provides the rigidity. Glass-reinforced plastics have been used in many other applications including pressure pipes, tank liners, and roofs.In contrast to the design procedures used for the more traditional construction materials, those for polymer composite materials in structural applications require greater development effort and a wider understanding of the material. The material properties of the final component are the result of a design process that considers many factors which are characterized by the anisotropic behavior of the material and cover the micro-mechanical, elasticity, strength and stability properties. These properties are influenced by manufacturing techniques, environmental exposure and loading histories. Designing with composites is thus an interactive process between the design of the constituent materials used, the design of the composite material and an understanding of the manufacturing technique for the composite component.In the last decade, polymer composites have found application in the construction sector in areas such as bridge repair, bridge design, mooring cables, structural strengthening and stand-alone components
其他相關高分子複合材料
功能性複合材料：後PC時代來臨，人類對資訊使用的模式，將由PC應用移轉到以網際網路為核心，發展大量且快速的無線傳輸。高頻介電複合材料在高頻通訊市場具有極大的潛力，而高頻通訊基板開發重點將朝向低介質化、低熱膨脹量、薄形多層化、高耐熱化等特性之材料開發。在高分子介電複合材料方面，國內研發機構已完成高頻、衛星通訊用（>5GHz）玻璃布強化氟系高頻基板材料技術開發。
奈米高分子複合材料：過去十年來，奈米級複合材料已被發現比傳統複合材料更具優異的性質，而層狀材料分散於高分子基材中的應用是有機無機複合材料最重要的一環，目前已在工業與學術界掀起研究與應用的熱潮。產業界對複合材料使用性能的要求愈來愈高，而奈米材料的問世，為新型複合材料的合成提供了新的契機，也為傳統複合材料的物性改良提供了一條新的途徑。
產業範疇
複合材料業包含二大領域：
1.塑膠合金：PC/ABS、PA/PPE、PP/PPE、PC/PBT、PS/PPE…等。
2.纖維補強複合材料：在塑膠原料中加入玻璃纖維、碳纖維、礦物質等添加物來改善物性)。
產業概況
一、台灣複合材料產業現況說明
(一)、台灣自民國五十四年引進複合材料技術，用以從事遊艇製造，代表台灣複合材料時代的來臨，前後締造多項稱霸全球的產業，如：遊艇、碳纖球拍、高爾球桿等運動器材，以及最近的電路基板等。目前複合材料產業在全世界年產能約六百餘萬噸，台灣約佔三十餘萬噸，全年產值達新台幣六百餘億元，該行業在台從業人員約一萬人，共約四百家企業，內外銷比率為33：67，研發費用佔營業額比率為0.6%；但隨著國際局勢的演變，生產基地外移已成為台灣產業經營上之必然課題，而高分子複合材料（強化塑膠）也將無法置身於外；碳纖球拍、高爾球桿等生產基地目前已全部外移，電路板也逐步西進，如何應用大陸生產人力，增強產業實力，防止台灣母廠空洞化，成為當前立足台灣每個人的嚴肅課題。
(二)、台灣複合材料產業產品架構 由表一所示，我國複合材料產量以印刷電路基板最多，佔全部產量約2/3，其次為熱塑性複合材料，因環保意識抬頭，可回收之熱塑性產量顯然高於熱固性複合材料，此乃全世界趨勢，碳纖維複合材料產量雖最小，但附加價值高，具有發展潛力。
二、複合材料產業面臨之環境因素
複合材料產業目前所面臨之問題計有下列幾項：
(一)、產業結構脆弱：上游原料來源之掌控能力不足，亦無龐大內銷市場。
(二)、受國際市場影響大：如上次全球能源危機，就對當時的遊艇業造成極大的衝擊。
(三)、傳統市場發展有限：我國現階段土地及人工成本，已無早期從事複合材料產業之優勢，故此部分工 廠，可考慮外移。
(四)、外移情況嚴重：我國加入WTO後，內需產業將無任何保護傘可依靠，廠商紛紛外移至生產成本低廉的地區。
(五)、產業轉型刻不容緩：面對全球化的競爭，必須及早調整經營策略，重視產業升級轉型。
(六)、競爭激烈：中國大陸廉價土地及勞工，使台商、港商、韓商不斷投進各種技術和資金，因此大陸在複合材料上的進展不可忽視，將會對我國逐漸構成威脅。
三、複合材料產業發展願景、方向及目標
(一)、發展願景
我國複合材料業如欲與國際業者競爭，應有下列輝弘願景：
1、成為世界複合材料原料重要供應國。
2、成為亞洲複合材料專業設計中心。台灣設計及經營管理能力，一向傲視全球，若能好好發揮，再利用大陸後段加工製造優勢，成為亞洲複合材料專業設計中心，應是易於達成之事。
(二)、發展方向
為達上述之願景，複合材料產業應向下列之方向邁進：
1、整合生產技術與市場行銷，形成配套跨國性經營制度。
2、發揮國人在複合材料技術之睿智，使之成為技術性勞力密集產業。
3、充分並有效利用政府、學研機構之資源。
4、擴大內需市場：如交通、公共工程等重大工程建設。
5、從臺灣看世界：引進歐美新穎設計，師法日本的製造技術，利用台灣本身優勢，再結合大陸廉價的土地、人工，使我國的競爭力達到世界級的地位。
(三)、發展目標
有了上述願景與方向後，國內複合材料業者應訂定下列發展目標：
1、調整產業結構、合併小廠、增加接單能力：我國加入WTO，產業必須面對全球化的競爭，內需產業將無任何保護傘可依靠，因此必須及早調整經營策略，或許美國汽車零件複材商的策略聯盟、合夥經營或併購等調整方式，值得大家參考。
2、發揮高品質與高技術產品提昇附加利潤。
3、2010年達1500億之產值目標。
4、建立成為全球最大電子級玻璃纖維之生產與供應國。
四、國內工業材料產業的未來展望
(一)發展方向
依據我國新興產業發展政策，初步選出多項金屬材料、電子材料暨化學材料候選項目，然後考量市場機會和台灣產業條件，訂出各種評分標準要素及權重，再由專家學者逐項評估，完成「市場魅力度v.s.台灣適合度評估區位圖」，最後，經產官學研專家座談討論，遴選出國內未來工業材料產業發展重點潛力產品。謹說明如下：
化學材料產業：重整石化產銷結構、技術本土化、提升使用層次和由DEM走向ODM是努力的方向。需長期研發的重點有：環保新材料(Eco-materials)、低煙無毒片狀／團狀模造材、車輛／飛機內裝材、長纖維／熱塑預浸材、連續纖維預浸材、高剛性高阻尼材料、高分子複合材料補強混凝土、人造木材、高結晶性／難燃性聚丙烯(PP)、向同立構聚苯乙烯 (Syndiotacic PS)、液晶高分子、聚酯醯胺、氣體輔助射出成形等產品；宜由業者主導推動的重點有碳纖維自行車架／高爾夫球桿、電磁遮蔽／靜電消散材、強化塑膠地下管道、地工織物、低毒低煙電絕緣被覆材、PC樹脂／染色樹脂、尼龍66樹脂等產品。
(二)未來展望
配合政府發展台灣成為亞太製造中心和科技島的前提，材料產業將扮演不可或缺的樞紐角色，現階段是以協助產業發展為主要目標，中長程必須掌握自主的關鍵性材料與零組件。在良好的投資環境配合下，將能達成下述階段性指標：
化學材料產業：從廣義言，化學材料業涵蓋上游石化業及下游塑膠、橡膠、複合材料、人造纖維等產業，基於「全球氣候變化公約」限制，必須減少二氧化碳的排放量回到1990年的水準，因此減少能源使用量、提升能源使用效率和增加二氧化碳的回收成為當務之急，否則勢將增加國內石化及鋼鐵工業的生產成本，也是材料工程師面臨的嚴格挑戰。
材料產業發展趨勢
◎ 全球市場缺口以亞洲為主，各方關注與加碼投資(中國大陸)
◎ 台商面對市場壓力增大
◎市場經濟 vs. 計畫經濟(利潤下降、訂單流失)
◎產品性能提升(高值化)
◎泛用塑膠性能提升
◎功能性包裝材、metallocene olefin、薄壁材、奈米複合材、智慧型材料、、、
◎工程塑膠用量增加
◎高溫PA、高流動性PA、PA/ABS、PC/ABS、PC/PBT、奈米複合材料
◎材料、零件、下游廠商進行合作與聯盟
◎國內材料業者與新興產業互動緊密度仍需提升
◎新興產業材料需求規模有待提升與開發
◎綠色產品比重上升
◎綠色產品認證機制的建立
◎環保型材料的使用(再生料、無鹵難燃材料、氧化烯烴)
◎環保型添加劑、色料使得成本上升
五、提升全球競爭力之發展策略
除了複合材料業者進行上述方向、目標之努力外，政府與業者尚應著手下列發展策略，以提升全球競爭力：
(一)、有效檢討政府擬定之獎勵、輔助計劃或措施，設立監督、驗收制度：因大陸有廉價土地及勞工等良好的發展條件，政府更應擬定獎勵、輔助計劃或措施，以協助有發展潛力之廠商。
(二)、建立複合材料產業之獨立資訊系統。
(三)、成立複合材料策略聯盟(行銷、設計、製造可分工營運)：可仿造國外原料廠與加工廠策略聯盟方式。
(四)、政府制定複材製品列入重大工程之標準規範與制定。
(五)、對關鍵性技術之業界，確立有效之獎勵措施。
六、具體行動方案
在整體目標、策略規劃下，個人認為複合材料業者可採取之短、中期具體行動方案有下列幾點：
(一)、加強拓展美、日複合材料市場(指高分子複合材料中之GF/UP)：根據統計美國複材製品使用量每年達180萬噸，日本每年約60萬噸，台灣約5萬噸，若能搶佔美國複材製品5%的市場，對國內業者助益便十分可觀;因此應加強對美、日複材市場進行調查與區分及擴展，並利用工業合作機會，爭取國外廠商訂單及產品認證。
(二)、成為亞洲複合材料專業設計中心：國內工研院、中科院、漢翔公司等單位，複材設計技術位居亞洲領先地位，如能整合此複材技術，協助國內複材廠商進行設計製造達到互補的功能， 應可成為亞洲複合材料設計製造之領導者。
(三)、擴大複合材料在公共工程應用範圍：協調政府相關單位，將複合材料製品列入公共工程招標規範(如橋樑、防震工程、軌道車輛...)，並訂國家標準(CNS)使業界有所遵循，擴大複合材料應用之市場。
國內材料大廠的概況
新崛起的節能材料產業為碳纖維相關領域，碳纖維除了用途廣泛之外(航空領域佔20%，工業領域最高有60%，運動器材產業則佔了20%)，在節能方面效益更高，比如說碳纖維重量雖然只是鋁的50%、是鋼鐵的20%，但硬度卻是鋼鐵的十倍，實驗證明一公分的碳纖維甚至可吊起一．五噸的重物，顯示出碳纖維的超高節能效果。也因此在鋼鐵等原物料價格大漲後，專家便預測未來將有更多的金屬被這種夢幻材料所取代，從美國的碳纖維公司ZOLTEK去年還在虧損、今年也只能小賺，但股價已經大漲二0餘倍，可以看出碳纖維股股價的爆發力。
在台股中已有不少個企業在這個領域深耕佈局，目前開花結果的公司包括有台塑、和成、永裕、明安等，未來反應在股價的走勢上，低價的永裕股本最小，近期的飆漲將碳纖維的利多題材發揮到淋漓盡致，永裕透過100%轉投資新永裕應用科技材料公司研發出的碳纖維未來應用端正是目前最hot的替代能源領域，結合經濟部業界科專、國內大學及工研院的技術，新永裕研發出氣相成長碳纖維(VGCF)材料，可用於鋰二次電池負極材料、燃料電池雙極板及碳紙碳布、乾電池碳棒碳粉等，碳纖維材料算是一種添加劑，若加入鋰電池中負極材料中，不但可延長鋰電池的壽命，更可加快充放電速度，目前已送鋰電池大廠認證中，預期最快下半年即有佳績傳來，而反應碳纖維的高成長題材，永裕在十四元以下整理九年後也啟動了新股掛牌才有的蜜月行情漲勢，從永裕越漲量越縮的現象來看，永裕也將成為碳纖維族群散動比價漲升走勢的指標。
相較於永裕目前僅提供給像工研院等學術研究單位、學校、公司研發單位，仍未大量出貨，和成0四年成立科技陶瓷處，透過中科院國防科技的技轉開發出商機也相當龐大的碳纖維複合材料，目前已正式商品化，並運用在滑鼠及手機上，在永裕股價淨值比拉升至一．八倍後，目前股價淨值比僅一．一倍的和成也有比價漲升潛力。
另外，高爾夫球杆頭的明安(8938)算是目前碳纖維族群中實際營運貢獻比重最高的個股，去年明安的複合材料包括自行車前叉及碳纖維布的營運比重約十，今年在常熟廠加入生產及產能、應用擴增下，整體複合材料營收可達十一億元，YoY達六成，預期佔明安今年營運比重將可望拉升到15%的水準，而這還不含擴大複合材料事業，將觸角延伸至航空座椅的航太領域的效益。由於明安過去幾年已都是高獲利的代表，未來一旦碳纖維航空座椅通過耐燃測試順利完成認證，複合材料可望成為推升明安未來業績大成長的一股動能之一。
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