Carbon Fiber | 碳纖維全面解讀

碳纖維（Carbon Fiber）究竟是甚麼樣的一種材質？聽得最多就是輕巧但脆弱。如果是這樣的話，又如何能夠應用到航太和賽車範疇？又是何時開始受到鐘表業界注意並廣泛應用？現今的碳纖維腕表又有甚麼新發明或大改變？

愛迪生發明碳纖維？

相信大部分人就連筆者都以為碳纖維的發明是近三數十年的事，事實上卻非如此。這種以黏膠、腈綸、芳綸、聚酰亞胺等人造纖維以高溫和氧化製成的物料，居然起源於百多年前的十九世紀，而且又與愛迪生拉上關係。沒錯，就是很多人以為燈泡是由他發明的那位美國發明家。

燈泡並非愛迪生發明是不爭事實，早在1840年，一位發明家Warren de La Rue成功以鉑金絲配合內部真空的燈泡製成可以發光的電燈泡，只是燈泡可發光的時間不算很長，加上以鉑金製造燈絲實在太奢侈，因而沒能成功量產和商業化。廿年後的1860年，另一位英國發明家Joseph Wilson Swan發明利用碳化的紙片來製成碳絲，以此作為讓燈泡發光的燈絲使用，並成功取得相關專利。只可惜的是，燈泡的壽命依然不夠長，一樣沒能成功商業化。後來愛迪生在1880年將Swan的發明改良，以棉、亞麻和竹等天然植物纖維碳化後所得到的碳纖維製成燈絲，又在翌年在碳纖維上加上一層碳膜改良其性能，從而成功提升電燈泡的耐用性。

正當由碳纖維製的燈絲看似有無限未來的時候，愛迪生居然在1906年發明了鎢絲技術並和通用電氣一起取得專利。之後的故事相信大家都知道，就是更廉價的鎢絲燈成為了電燈泡的主流技術，碳纖維的發展也就因此停頓下來。這種不怕高溫、密度低、強度高兼耐氧化的材質再次受到關注的時候，已經是數十年後的事了。

上世紀五十年代，之所以促成科學家再次研究碳纖維是因為當時美蘇在航太和軍事領域上的競爭所致。而大約在1950年，美國Wright-Patterson空軍基地成功研製出黏膠基碳纖維，代表現代高性能碳纖維的正式誕生。

甚麼是碳纖維？

碳纖維是一種碳含量達90%以上的高強度纖維，耐高溫（達攝氏2,000度）、耐腐蝕，具備極佳的導電性，而且熱膨脹系數小。由於密度低，不但比金屬輕巧得多，強度更是一般鋼的16倍，是擁有極多優點的纖維材料。之不過碳纖維並非萬能，最大缺點是柔韌性較差，所以很少單獨以碳纖維來製作產品，必須混合其他材料來補強。因此，我們現今所講廣泛應用於各種產業如航空、汽車、運動器材、攝影器材、鐘表等的所謂碳纖維，嚴格來講應該叫做碳纖維強化聚合物或碳纖維強化塑膠（CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymers 或 Carbon Fiber Reinforced Plastic），是一種以碳纖維為基礎製作的複合材質。

製作碳纖維CFRP的原料有很多種，主要有三大類，一種是 Polyacrylonitrile（PAN），現時佔九成以上的CFRP都屬於這一類，其次是瀝青纖維和嫘縈纖維。至於所採用的聚合物是甚麼，多數是熱固性樹脂、聚酯、乙烯基酯、尼龍等，也有芳香聚醯胺、鋁、超高分子量聚乙烯、玻璃纖維之類。除非是有關專家，相信大家單看名字其實都很難明白究竟是甚麼東西，由於我們不是要做原料研發，基本上知道有這些東西就足夠，想進一步了解詳情就要情商相關專家出動。

正如最早期的碳纖維被用來製作燈絲一樣，就算是現代的碳纖維都是一條條極之微細的絲線，直徑一般是5至8微米，而人類比較幼的頭髮直徑都有50微米，其纖幼可想而知。承如之前所講，一條條的碳纖維絲很少會被單獨拿來製作產品，最基本要先將碳纖維如傳統絲線般編織成為一幅一幅的碳纖維布才可。至於將碳纖維製作成碳纖維強化聚合物的工序，簡單講是利用樹脂如塗膠水般將每一幅碳纖維布以層疊方式預先製作成多層式碳纖維布，然後按照需要剪裁成合適的形狀和大小，再將剪裁好的多層碳纖維布以錯開編織紋理的方式疊加和平鋪在模具內，之後是加熱和加壓將之製成產品初形。成形後，再要進行多重工序包括補土、打磨、拋光才算完成。

碳纖維在腕表上的應用

現時我們生活所接觸到已很廣泛採用的科技，很多都是來自軍事和航太技術，GPS全球定位系統就是其中之一。碳纖維也不例外，最早應用於火箭、衛星、飛機、坦克，繼而在八十年代應用到F1賽車，除了以碳纖維來製作車身，還利用其高強度製作保護車手的座艙，而這亦進一步普及至一般汽車製造上。至於腕表的世界中，首個推出碳纖維腕表是愛彼，2007年推出的Royal Oak Offshore Edition "Alinghi" Ref. 26062，表殼和表圈都以鍛造碳製造，而鍛造碳就是由林寶堅尼與其他公司合作開發，製作方法和一般碳纖維採用層疊的方式不同，是將隨意排列的碳纖維與樹脂混合後注入模具中，再利用高溫和高壓鑄造而成。

由於腕表的結構和重量很大程度取決於表殼採用的物料，所以品牌在腕表上應用碳纖維，最首要是表殼，其次才是表盤和鏈帶。而由於碳纖維本身的硬度高，所以切割和打磨都比一般材質難度更高，所需要加工的時間亦更長，對於機器的磨損尤其CNC電腦切割機器的損耗更大，製作碳纖維表殼的成本亦必定會比傳統金屬物料高得多，而這也就是碳纖維腕表在開發了這麼多年後價錢依然高企的原因。