カーボンファイバー：その正体、種類、材料特性、複合材料

炭素繊維とは何ですか?

カーボンファイバーは炭素原子の長く細いフィラメントで構成される高性能素材で、各ストランドの直径はおよそ 5 ～ 10 マイクロメートルで、人間の髪の毛よりも細いです。これらのフィラメントは、繊維の軸に沿って整列した結晶構造で結合されており、これがまさにカーボンファイバーに優れた強度対重量比を与えているのです。素材は金属でもプラスチックでもセラミックでもありません。これは、その元素組成（重量の 90% 以上が炭素）によって定義される高度なエンジニアリング材料のカテゴリーに属します。

炭素繊維は、ほとんどの場合、マトリックス材料 (最も一般的にはエポキシ樹脂) 内の補強材として使用され、いわゆる炭素繊維複合材料を形成します。 カーボンファイバーの一本鎖はそのままでは脆く、取り扱いが困難です。しかし、何千ものフィラメントを織物に織り込むか、平行に配置して結合樹脂に埋め込むと、得られる複合パネルまたは構造は、今日入手できる最も強力で、最も剛性が高く、最も軽量なエンジニアリング材料の 1 つとなります。

規約 炭素繊維 そして 炭素繊維 同じ内容を指します。スペルの違いは単にアメリカ英語とイギリス英語です。同様に、「炭素繊維複合材」と「炭素繊維強化ポリマー」(CFRP) は、エンジニアリングおよび製造の文脈で同じ意味で使用されることがよくあります。

カーボンファイバーは何から作られていますか?

炭素繊維を製造するために使用される原料は、炭素繊維と呼ばれます。 前駆体 。商業生産における主要な前駆体は次のとおりです。 ポリアクリロニトリル(PAN) 、世界中で製造されている炭素繊維の約 90 ～ 95% を占める合成ポリマー。残りはピッチ（石油またはコールタール誘導体）、または特殊用途ではレーヨンから製造されます。

製造プロセスでは、厳密に制御された一連のステップを通じて前駆体が炭素繊維に変換されます。

1. 安定化 — PAN 繊維は空気中で 200 ～ 300°C に加熱され、その構造が酸化して安定化され、次の段階での溶融が防止されます。
2. 炭化 — 安定化された繊維は、不活性（酸素のない）雰囲気中で 1,000 ～ 1,500°C に加熱され、ほとんどの非炭素原子が除去され、90% 以上の炭素を含む繊維が残ります。
3. 黒鉛化 (オプション) — 超高弾性率グレードの場合、繊維はさらに 2,500 ～ 3,000°C まで加熱され、引張強さを多少犠牲にして結晶化度と剛性を高めます。
4. 表面処理とサイジング — 繊維は、マトリックス樹脂との結合を改善するための表面処理を受け、その後、出荷用にスプールに巻き取られる前に薄い保護コーティング (サイジング) が施されます。

このエネルギー集約的な製造プロセスは、炭素繊維原料が従来の金属に比べて大幅なコストプレミアムをもたらす理由の 1 つです。アクリロニトリルモノマーからPAN繊維、完成した炭素繊維トウに至るまでの炭素繊維原料チェーンには、繊維が複合材製造業者に届くまでに複数の化学処理段階が含まれます。

炭素繊維はどこから来たのですか?

世界の炭素繊維生産は少数の大手メーカーに集中しています。日本は歴史的にこの業界を支配してきました。 東レ株式会社 帝人、三菱化学と並ぶ世界最大のメーカーです。米国 (Hexcel、Solvay) とドイツ (SGL Carbon) にも大きな生産能力があります。中国国内の生産は 2010 年代半ば以降急速に拡大し、Zhongfu Shenying や Guangwei Composites などのメーカーが主要な世界的サプライヤーとして台頭しています。

原料の化学的性質はさらに遡ります。PAN の製造に使用されるモノマーであるアクリロニトリルは、石油精製または天然ガスの処理から得られるプロピレンに由来します。したがって、炭素繊維自体はハイテク先進材料ですが、その起源は従来の炭化水素化学にあります。ピッチベースの炭素繊維は石油精製副産物またはコールタールから直接得られ、化石燃料処理の下流製品となります。

バイオベースの前駆体（リグニン由来の PAN 代替品など）は活発な研究分野ですが、2020 年代半ばの時点では、依然として石油由来の PAN が大差で商業標準となっています。

炭素繊維の種類: グレードと分類

すべてのカーボンファイバーが同じというわけではありません。さまざまな種類の炭素繊維を分類するにはいくつかの方法がありますが、最も一般的なのは次のとおりです。 メカニカルグレード そして by 前駆体 type .

機械グレードによる分類

前駆体の種類による分類

• PAN系炭素繊維 — 業界標準。引張強度と弾性率の最適なバランス。航空宇宙、自動車、スポーツ用品、風力エネルギーで使用されます。
• ピッチ系炭素繊維 — 石油またはコールタールピッチから製造されます。より容易に超高弾性率値に到達し、優れた熱伝導性と電気伝導性を実現します。スペースおよび熱管理アプリケーションで好まれます。
• レーヨン系炭素繊維 — 初期の製造方法は、現在では構造用途としてはほとんど廃止されています。一部の特殊なアブレーションおよび絶縁の文脈で今でも使用されています。

これらのコアの種類以外にも、炭素繊維は繊維の形式によっても分類されます。 連続牽引 (数千本の平行フィラメントの束。フィラメント数に応じて 1K、3K、6K、12K、24K、または 48K として指定されます)、 織物 (平織り、ツイル、サテン)、 チョップドまたはミルドファイバー 射出成形複合材料に使用されます。

カーボンファイバーの材料特性: どれくらい硬くて強いですか?

「カーボンファイバーはどれくらい硬いのか」という質問には、以下のことを区別する必要があります。 硬さ そして 剛性 — よく混同される 2 つの特性。 硬度 表面の傷やへこみに対する耐性を指します。 剛性 (モジュラス) 荷重下での変形に対する抵抗力を指します。カーボンファイバーは剛性が高いですが、従来の意味では特に硬いわけではありません。CFRP 複合材料の樹脂表面は、硬化鋼やセラミックに比べて比較的傷つきやすいのです。

カーボンファイバーの価値を決定付ける材料特性は次のとおりです。

• 非常に高い比剛性 — 標準弾性率のカーボンファイバーの引張弾性率は約 230 GPa です。構造用鋼の温度は約 200 GPa です。カーボンファイバーは、スチールの密度が 7.85 g/cm3 であるのに対し、わずか約 1.8 g/cm3 の密度でこれを達成しており、剛性重量比はスチールの約 4 倍となっています。
• 非常に高い引張強度 — 炭素繊維フィラメントの引張強度は、グレードに応じて 3,500 ～ 7,000 MPa に達しますが、構造用鋼の引張強度は約 400 ～ 550 MPa です。
• 低密度 — 1.6 ～ 1.9 g/cm3 の炭素繊維複合構造は、同等の鋼製部品よりも約 70 ～ 75% 軽量です。
• ほぼゼロの熱膨張 — カーボンファイバーは熱膨張係数 (CTE) が非常に低いため、幅広い温度範囲にわたって寸法が安定しており、航空宇宙および精密光学機器にとって重要です。
• 電気伝導率 — グラスファイバーとは異なり、カーボンファイバーは導電性を持っています。これは利点 (EMI シールド、落雷保護) と設計上の考慮事項 (金属との電気腐食) の両方です。
• 耐薬品性 — カーボンファイバー複合材はほとんどの酸、溶剤、環境劣化に耐性がありますが、保護コーティングを施さないと紫外線にさらされると時間の経過とともに樹脂マトリックスが劣化する可能性があります。

主な制限 衝撃荷重下での脆性です。カーボンファイバーは金属のように破損する前に塑性変形しません。突然破損するため、工学用途における衝突構造の設計と損傷耐性に影響を与えます。

カーボンファイバーは複合材料ですか?カーボンファイバーとは一体どんな素材なのでしょうか？

はい - 炭素繊維強化ポリマー (CFRP) は複合材料です。 専門的には、「炭素繊維」という用語は繊維自体 (強化相) を指しますが、産業または消費者の文脈で「炭素繊維」と言うときにほとんどの人が意味する材料は、その繊維をマトリックス樹脂と組み合わせて形成される複合材料です。これは重要な違いです。

• 炭素繊維 = 純粋な繊維フィラメント、炭素の一種
• 炭素繊維 composite = ラミネートまたは成形部品に形成された炭素繊維マトリックス (通常はエポキシ、ポリエステル、または PEEK)

複合材料とは、定義上、物理的または化学的特性が大きく異なる 2 つ以上の構成材料を組み合わせたものです。炭素繊維複合材料では、繊維が引張強度と剛性を提供し、樹脂マトリックスが繊維を結合し、繊維間の荷重を分散し、環境損傷から繊維を保護します。どちらのコンポーネントも単独では、複合材料と同じ特性の組み合わせを達成することはできません。

炭素繊維複合材料の最も一般的なマトリックス材料は次のとおりです。

• エポキシ樹脂 — 航空宇宙および高性能構造用途の標準。優れた接着性、低い空隙率、良好な機械的特性。
• ポリエステルとビニルエステル — 低コスト。絶対的な機械的性能がそれほど重要ではない海洋、建設、および消費者向け製品に使用されます。
• 熱可塑性マトリックス (PEEK、PPS、ナイロン) — 耐衝撃性、リサイクル性、処理時間の短縮を目的として、自動車および航空宇宙分野での使用が増加しています。
• セラミックマトリックス複合材料 (CMC) — ジェット エンジンの高温セクションや極超音速機などの極端な温度環境向けのセラミック マトリックス内の炭素繊維。

カーボンファイバーとは何ですか?主要な応用分野

カーボンファイバーで作られた製品の範囲は、その初期の航空宇宙産業に比べて劇的に拡大しました。現在、炭素繊維複合材料は、設計者が構造性能を犠牲にすることなく重量を削減する必要があるあらゆる業界で使用されています。

• 航空宇宙 — 民間航空機の胴体パネル、翼外板、隔壁、内部構造（ボーイング 787 とエアバス A350 はどちらも重量の約 50% が CFRP です）。
• 自動車 — 高性能車、高級車、そして主流になりつつある車両のボディパネル、シャーシコンポーネント、ドライブシャフト、衝突構造、およびシートフレーム。
• 風力エネルギー — 風力タービンブレードのスパーキャップ。剛性と軽量の組み合わせにより、エネルギー回収効率が直接向上します。
• スポーツ用品 — 自転車のフレーム、テニス ラケット、ゴルフ クラブ シャフト、ホッケースティック、手漕ぎオール、釣り竿 — は、炭素繊維を初めて広く普及させた消費者部門です。
• 医療 — 補綴物、整形外科用装具、手術器具、および放射線治療装置 (カーボンファイバーは放射線透過性、つまり X 線を透過します)。
• 土木インフラ — 橋の床版、耐震改修のための柱のラッピング、およびコンクリート補強材（炭素繊維鉄筋は腐食しません）。
• 電子機器および圧力容器 — ハイエンドデバイス用のラップトップおよび電話シャーシコンポーネント。燃料電池自動車用の圧縮ガスおよび水素貯蔵シリンダー。

世界の炭素繊維市場は、2023 年に約 55 億米ドルと評価され、主に風力エネルギーの拡大と排出規制に伴う自動車の軽量化要件によって、2030 年まで年平均 9 ～ 11% で成長すると予測されています。