什麼是CFRP（碳纖維強化塑膠）
以環氧樹脂等固化碳纖維的複合材料。密度小、楊氏模數與強度高，比剛性優異，用於飛機、汽車與運動用品。
日文名稱: CFRP(炭素繊維強化プラスチック)
「CFRP（碳纖維強化塑膠）」出現在3領域的6道練習題中（材料選擇與設計, 複合材料, 高分子與複合材料等）。
這個名詞所屬的領域: 複合材料
構成與特徵
CFRP是以環氧樹脂等熱固性樹脂或熱塑性樹脂，固化直徑5〜7 µm左右碳纖維的複合材料。碳纖維的密度約為1.8 g/cm³ 而小，楊氏模數泛用品約為230 GPa，高模數者可達數百 GPa。單向材在纖維方向的比剛性（楊氏模數/密度）為鋼或鋁合金的3倍以上，且耐疲勞，因此用於想減輕重量的飛機主翼與機身、汽車、風機葉片、釣竿與高爾夫球桿等。
異向性與疊層設計
單向材在纖維方向又強又剛，但在垂直纖維方向或面內剪切上，只顯示接近樹脂性質的低值。因此實際零件會疊合0°、±45°、90°等方向不同的層做成疊層板，配合負荷方向配置纖維。想在任何方向都得到相似的面內性質時，做成準等向性疊層。厚度方向只由樹脂支撐，因此層間強度弱，需注意衝擊容易在內部造成層間剝離。
使用時的注意
碳纖維導電且電極電位較惰性，因此與鋁合金直接接觸時，鋁側容易發生電偶腐蝕。在接合部會夾入玻璃纖維層，或使用鈦合金的扣件。此外，使用熱固性樹脂的CFRP硬化後無法熔化，因此難以回收，以熱分解等回收纖維的技術正在開發中。成型時的空隙（孔隙）或纖維的波紋會降低強度，因此以超音波探傷等檢查。
練習CFRP（碳纖維強化塑膠）的題目
碳纖維強化塑膠（CFRP）與玻璃纖維強化塑膠（GFRP）的比較，下列何者正確？
- AGFRP會導電，因此與CFRP不同，與鋁合金接觸時容易引起電偶腐蝕
- BCFRP容易讓電波穿透且絕緣性高，因此適合取代GFRP用於雷達罩與電氣絕緣零件
- CCFRP比剛性優異，但會導電，因此與鋁合金接觸時容易引起電偶腐蝕
單向CFRP（纖維方向楊氏模數140 GPa，密度1.6 g/cm³）與鋼（楊氏模數210 GPa，密度7.9 g/cm³）在纖維方向的比彈性模數（楊氏模數/密度）之比 CFRP/鋼 最接近下列何者？
- A約0.67
- B約3.3
- C約4.9
常見問題
CFRP比鋼強嗎？
以纖維方向的抗拉強度與楊氏模數除以密度的比強度、比剛性而言，遠超過鋼。但垂直纖維方向或厚度方向的強度低，因此並不是在任何方向都比鋼強。
CFRP與GFRP要如何區分使用？
一般而言，輕量與剛性重要、價格高也無妨的零件使用CFRP；想壓低價格，或需要電氣絕緣性或電波穿透性的零件使用GFRP。
CFRP不會生鏽嗎？
CFRP本身不會像金屬那樣生鏽，但樹脂可能因吸濕或紫外線而劣化。此外，它可能促進接觸金屬的電偶腐蝕，因此與異種材料的接合部需要對策。
解析中的「CFRP（碳纖維強化塑膠）」
碳纖維的密度約為1.8 g/cm³，比玻璃纖維（約2.5 g/cm³）小，楊氏模數約為230 GPa 以上，是玻璃纖維（約70 GPa）的3倍以上，因此CFRP 的比剛性與比強度優異，用於飛機與運動用品。
碳纖維強化塑膠（CFRP）與玻璃纖維強化塑膠（GFRP）的比較，下列何者正確？比彈性模數 CFRP 為 140/1.6 = 87.5，鋼為 210/7.9 ≈ 26.6（單位皆為 GPa/(g/cm³)），因此比值為 87.5/26.6 ≈ 3.3。
單向CFRP（纖維方向楊氏模數140 GPa，密度1.6 g/cm³）與鋼（楊氏模數210 GPa，密度7.9 g/c…由剛性決定之拉桿的質量與 ρ/E 成正比，因此質量比 CFRP/鋼 為 (1.6/70)/(7.8/210) = 0.0229/0.0371 ≈ 0.62。
以鋼（E = 210 GPa，ρ = 7.8 g/cm³，每1 kg的價格設為1）與準等向性疊層的CFRP（E = 7…其尺寸安定性、耐熱性與耐溶劑性優異，用於半導體的封裝材料、印刷電路板、CFRP的基材等。
熱固性樹脂的特徵，下列何者正確？在彎曲中改變截面大小時剛性急遽增加，因此密度越小的材料越有利，這就是木材或CFRP在樑上具有優勢的原因。
想把長度與彎曲剛性固定的正方形截面樑，在截面大小可自由改變的條件下做得最輕。設楊氏模數為E、密度為ρ，應最大化的性能指…
出現「CFRP（碳纖維強化塑膠）」的題目（6題）
- 碳纖維強化塑膠（CFRP）與玻璃纖維強化塑膠（GFRP）的比較，下列何者正確？
- 單向CFRP（纖維方向楊氏模數140 GPa，密度1.6 g/cm³）與鋼（楊氏模數210 GPa，密度7.9 g/cm³）在纖維方向的比彈性模數（楊氏模數/密度）之比 CFRP/鋼 最接近下列何者？
- 以鋼（E = 210 GPa，ρ = 7.8 g/cm³，每1 kg的價格設為1）與準等向性疊層的CFRP（E = 70 GPa，ρ = 1.6 g/cm³，每1 kg的價格設為鋼的20倍）製作長度與拉伸剛性固定的拉桿。截面積可自由改變時，CFRP拉桿的材料費約為鋼拉桿的幾倍？
- 熱固性樹脂的特徵，下列何者正確？
- 想把長度與彎曲剛性固定的正方形截面樑，在截面大小可自由改變的條件下做得最輕。設楊氏模數為E、密度為ρ，應最大化的性能指標為下列何者？
- 就一般汽油轎車而言，比較材料從製造到廢棄的生命週期中各階段消耗的能源，通常最大的是哪個階段？又由此導出的選材方針，下列何者適當？
材料科學計算工具
相關名詞
楊氏模數 比剛性 GFRP（玻璃纖維強化塑膠） 電偶腐蝕 準等向性疊層 熱固性樹脂 生命週期評估 矽烷偶合劑 金屬基複合材料 陶瓷基複合材料