碳纤维很难生产，但应用很广。你可以轻易地找到碳纤维各式各样的应用，但是关于碳纤维的核心制程很少揭露，原因是碳纤维的前驱物通常是合成出来的，每一种前驱物都是大企业的独门秘方。

　　「炭」与「碳」到底差别在哪？令人有些困惑！如果不那么考究，笔者的见解是：早期常用炭，现今常用碳，传统的技艺常用炭，现今的科技常用碳。再者，若听到外国人说「charcoal」，那八成是炭；如果听到「carbon」，那铁定是碳。碳纤维（Carbon fiber）是近百年的科技显学，科技人知道碳纤维如何使用，但不见得知道碳纤维如何制造。在谈论「碳纤维原本不是一根碳」之前，先说明「木炭与煤炭原本也不是一块炭」。

　　前不久，看到一则报导：日本熊本闹区大火延烧了20栋木造老房子，而从祝融之后的景象可看见，木造梁柱都变成了炭梁炭柱，不过它们的型态依旧。既然木造梁柱都是上乘好材（例如榉木、桧木），当然可以说那些炭梁炭柱也是木炭，只是未经严谨的温度与气氛掌控下所形成的木炭。所有的木质素在燃烧的过程中若供给大量的氧气，木质素都会烧成了「灰」，灰可以说是木质素在转换成碳素时过度燃烧的产物。举凡植物都含有木质素，例如竹子、椰子壳、棉花等。

　　知道木质素系（例如：橡木、孟宗竹、椰子壳）如何烧成炭之后，碳纤维如何烧出来就不难想像了。常听到的备长炭就是用橡木烧制成的炭，其他如：竹炭就是用孟宗竹在窑炉内烧制成的炭，椰子壳烧制成的炭叫做椰壳炭。橡木、孟宗竹、椰子壳同属木本质素系，它们都是炭或碳的前驱物。这些前驱物的炭化是不可逆的，也就是以现在的科技来说，竹炭是不可能再还原成孟宗竹，因为竹炭是孟宗竹经过化学反应彻底质变的结果。

　　烧炭工艺再怎么传统，除了薪材的本质好与坏之外，不外乎是温度控制与气氛控制。烧炭的过程绝对是欲速则不达的制程，当木质素加热到高于热解温度时，从摄氏200～400度时就开始分解出挥发性的气体，这时空气中的氧需求量较高，称为氧化反应。接着，随温度逐渐升高（最高温度约摄氏1,000度），必须非常小心地调节空气，以避免氧气太多而烧成灰，这就是碳化反应。在高温下反应后所留下来的碳成分通常必须超过70％以上，在本质上这当然与原来的木质素只有约30％的碳有很大的不同。

　　听说过煤炭也是植物炭吗？煤炭的形成是远古森林或沼泽的植物在分解之前就被埋在地底下沉积而成。因为长期处于较高的地层温度和压力下，木质素用数万年的时间慢慢地转换成碳质。远古植物遗骸埋在地层下，经过泥炭→褐煤→烟煤→无烟煤的「熟成」之后，碳质越来越高，甚至可以从无烟煤转化成石墨结构。严格说来，煤炭是植物经由地热、高压等环境的作用下产生的化石。因此地底层可以说是一座又一座的地下窑炉。经由上述的说明，当然可以说木炭、煤炭原本不是炭，是木质素系的化合物。

　　这得从英国的工业革命说起。六十多年以前的伦敦雾霾就像现在北京的天空，不但能见度很低，也造成英国史上最严重的公害事件之一。雾霾成因是大量煤炭燃排所致，当时伦敦政府的报告指出：雾霾导致数千人死亡，近十万人受到呼吸道疾病影响。大致说来，优质煤含碳高，劣质煤含碳低、杂质多（例如氮、硫化合物），因此燃烧后形成硫化物、氮氧化物等有害物质。劣质煤其实就是地层的窑炉碳化反应不完全所致，优质煤因碳化反应完全，碳量高（90％以上），杂质含量较低。

　　谈到煤的品级，是根据煤的发热量、灰分（不能燃烧的部分）、含硫氮量等因素而定。例如做为燃料，含硫高的燃烧会产生二氧化硫污染大气，必须有脱硫的设备。烟煤就是生煤，直接做为燃料会产生黑烟，造成大气污染。无烟煤质硬，含碳量最高（92％以上），是优质煤。泥煤是泥状物质，含碳量低（60％以下），其余40％是杂质，燃烧时发烟量最多。

　　碳纤维

　　前面介绍了木炭与煤炭，相信大家不再怀疑炭或碳是在一定的温度─压力─气体环境下孕育出来的。碳纤维这门技术是高科技的代名词，严格说来，碳纤维很难生产，但应用很广，你可以轻易地找到碳纤维各式各样的应用，但是很少揭露关于碳纤维的核心制程。原因是碳纤维的前驱物通常是合成出来的，每一种前驱物都是大企业的独门秘方，歹竹（不好的前驱物）出不了好笋（优质的碳纤维）。

　　全世界的碳纤维90％以上的前驱物来自聚丙烯腈系，而前驱物来自于沥青系与纤维素嫘萦系的则不足10％。大体上，三者仍有各别的特性分野，还不致彼此竞争。高强度需求者的原料以聚丙烯腈系纤维为主，高模数者则采用沥青系纤维，特殊多孔化纤维则以嫘萦系纤维为主。

　　把聚丙烯腈系纤维烧成高强度的碳纤维，其过程必须经过稳定化（或称氧化）的重要步骤。稳定化过程主要有3种反应，分别是：环化反应、脱氢反应、氧化反应。接下来的碳化过程是稳定化后，聚丙烯腈母材纤维在惰性气体中，且温度高至摄氏1,500度的条件下进行热处理。在热处理过程中除了碳元素外，其他元素几乎都以副产物的型式被除去而形成像石墨的结构。

　　聚丙烯腈系纤维的石墨化是指碳化反应后的纤维，增加微晶的尺寸可使得碳纤维结晶更完整。但微晶的规则排列则需借助纤维在摄氏1,500度以上的热处理，例如把温度控制在摄氏2,000～2,500度，甚至高至摄氏3,000度。不过，聚丙烯腈系纤维的前驱物中必须含高纯度的丙烯腈，才能练就优质的氧化、碳化甚至石墨化的纤维。

　　殊途同归

　　真的是殊途同归，「途」者前驱物制程也、「归」者碳也。碳纤维的前驱物不管是聚丙烯腈系、嫘萦系或沥青系，这些纤维聚合制程完全不同，但经高温制程之后就变得非常相似，因为它们都变成了碳的纤维。碳纤维的高温制程是类似的，首先是氧化制程，在可掌握的氧气供给与可温控的环境（摄氏200～400度）中进行，随后在惰性气体保护下，以摄氏900～1,500度的高温赶走碳以外的物质，最后加热到摄氏～3,000度而形成石墨化碳纤维。

　　聚丙烯腈系碳纤维的性能好，产率较高（约60％），因此聚丙烯腈系的碳纤维约占总碳纤维产量的90％以上。嫘萦系碳纤维的产率只有20％，沥青系碳纤维的产率约70％以上，成本最低，很有潜力发展低强度高模数的产品应用。不管是哪一种系统的碳纤维，每一阶段的产出物都是很好的商品，例如在氧化阶段（摄氏300～350度）制得耐燃纤维，在碳化阶段（摄氏1,000～1,500度）制得碳纤维，碳纤维再经摄氏2,000度以上高温处理可以制得石墨纤维，含碳量高达99％以上，是航太用级的材料。