炭素繊維とは何ですか?特性、製造プロセス、用途

炭素繊維とは

カーボンファイバーは、繊維の長軸に平行に並んだ結晶構造で結合した炭素原子の細いストランドから作られた高性能素材です。個々のフィラメントの寸法は次のとおりです。 直径5および10マイクロメートル 幅は人間の髪の毛の約 10 分の 1 ですが、この材料は金属の数分の 1 の重量で並外れた引張強度と剛性を実現することで知られています。

ほとんどの産業および商業用途では、カーボンファイバーはベアフィラメントとしては使用されません。これらのフィラメントを何千本も束ねてトウにし、織物に織り込むかシートに重ねてポリマー樹脂マトリックス (通常はエポキシ) と組み合わせて炭素繊維強化ポリマー (CFRP) を製造します。繊維は引張強度と剛性を提供します。樹脂は繊維を結合し、繊維間で荷重を伝達します。結果として得られる複合材料は、強度対重量ベースでほとんどの金属よりも優れています。

標準的な市販のカーボンファイバートウは、フィラメント数によって分類されます: 1K (1,000 フィラメント)、3K、6K、12K、24K、およびそれ以上。番手の低いトウは、高性能の航空宇宙およびスポーツ用品の用途に使用されます。より番手の高いトウは、表面仕上げよりもコスト効率が重視される産業および建設現場で使用されます。

炭素繊維の特性の説明

炭素繊維の特性は前駆体材料と製造プロセスに大きく依存しますが、標準的な PAN ベースの炭素繊維 (下記を参照) は、その魅力を定義する一貫した一連の特性を示します。

• 高い引張強度: 標準弾性炭素繊維は 3,500 ～ 7,000 MPa の引張強度を達成し、構造用鋼 (通常 400 ～ 550 MPa) よりも大幅に高くなります。
• 高剛性（弾性率）： 標準弾性炭素繊維の弾性率は約 230 GPa です。超高弾性率グレードは 600 ～ 900 GPa に達し、鋼鉄 (200 GPa) やアルミニウム (70 GPa) をはるかに上回ります。
• 低密度: 炭素繊維の密度は約 1.75 ～ 1.85 g/cm3 ですが、スチールの密度は 7.85 g/cm3、アルミニウムの密度は 2.7 g/cm3 です。 CFRP 複合材料は通常 1.5 ～ 1.6 g/cm3 です。
• 熱安定性: カーボンファイバーは、不活性雰囲気中で 2,000°C を超える温度でも機械的特性を維持します。酸化環境では、400 ～ 500°C を超えると表面の劣化が始まります。
• 低熱膨張: カーボンファイバーの熱膨張係数はファイバー軸に沿ってゼロに近いか、わずかにマイナスであるため、CFRP は温度範囲全体で寸法的に安定しています。これは航空宇宙および精密機器において重要な特性です。
• 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電気を伝導します。これは、一部の用途 (EMI シールド、落雷保護) では有利ですが、他の用途 (アルミニウムなどの金属と接触した場合の電気腐食) では設計上の考慮事項になります。
• 低い疲労感受性: CFRP 複合材料は金属と比較して繰り返し荷重に対して優れた耐性を示すため、繰り返し応力を受けるコンポーネントに最適です。

主な制限は脆さです。炭素繊維は破壊ひずみが低く (通常 1.5 ～ 2%)、繊維方向に垂直な衝撃に対する耐性が劣ります。金属とは異なり、CFRP は破損する前に塑性変形しません。多くの場合、材料の表面に目に見える警告兆候が見られずに破損します。

カーボンファイバーの作り方: 製造プロセス

カーボンファイバーの製造は、ポリマー前駆体をほぼ純粋なカーボンフィラメントに変換する多段階の熱および化学変換プロセスです。主な前駆体はポリアクリロニトリル (PAN) であり、 世界の炭素繊維生産量の90% 。残りの生産ではピッチ（石油またはコールタール誘導体）、または特殊な用途ではレーヨンが使用されます。

PAN 前駆体繊維から完成した炭素繊維への変換は、安定化、炭化、黒鉛化 (高弾性グレードの場合)、表面処理、サイジングという 5 つの段階を経ます。

安定化プロセスの説明

安定化は最初の熱変換ステップであり、プロセス内で最も時間のかかる段階です。 PAN 前駆体繊維は、次の温度で一連の酸化オーブンを通過します。 200℃と300℃ 空気雰囲気の中で。ファイバーの種類と炉の設計に応じて、このプロセスには 30 ～ 120 分かかります。

安定化中に、PAN の直鎖状ポリマー鎖は環化反応と架橋反応を起こし、熱可塑性構造が熱的に安定なラダーポリマーに変換されます。この構造変化は不可欠です。安定化がなければ、その後の高温炭化ステップで繊維が溶けたり燃焼したりしてしまいます。安定化が進むにつれて、繊維は白から金褐色、そして黒へと暗くなります。繊維の収縮を防ぎ、分子の配向を維持するために、張力が全体にわたって維持されます。

炭化プロセスの説明

安定化後、繊維は次の温度で稼働する炭化炉に入ります。 1,000℃～1,500℃ 不活性窒素雰囲気中で。これらの温度では、非炭素原子 (主に水素、窒素、酸素) がガス (HCN、CO₂、H₂O、NH₃ など) として追い出されます。繊維の炭素含有量は、安定化された PAN の約 65% から 20% 以上に増加します。 92～95% 炭化製品では。

炭化段階は通常 2 つのゾーンに分かれています。揮発性副生成物のほとんどが放出される低温ゾーン (最高 700 °C) と、乱層グラファイト構造が発達し始める高温ゾーン (1,000 °C 以上) です。この段階で達成される結晶配向は、最終的な機械的特性を大きく決定します。炭化は張力下で行われ、繊維の整列を維持し、繊維軸に沿った好ましい結晶配向の発達を最大限に高めます。

黒鉛化プロセスの説明

黒鉛化は、高弾性および超高弾性の炭素繊維グレードを製造するために使用されるオプションの高温ステップです。炭化繊維は次の温度に加熱されます。 2,500℃および3,000℃ 不活性アルゴン雰囲気中で。このような極端な温度では、乱層構造（部分的に秩序のある）炭素構造は、より秩序のあるグラファイト状の結晶構造に再組織され、六角形の炭素面がより大きくなり、繊維軸とより完全に整列します。

その結果、弾性率が劇的に向上します。標準弾性率繊維の約 230 GPa から、超高弾性率グレードの 400 ～ 900 GPa まで増加します。ただし、この剛性の向上には、引張強度と破壊ひずみが犠牲になります。黒鉛化繊維はより硬いですが、より脆くなります。すべての用途に黒鉛化が必要なわけではありません。ほとんどの航空宇宙構造用途で使用される標準および中間弾性率の繊維は黒鉛化されていません。

炭素繊維の表面処理

製造されたままのカーボンファイバーの表面は化学的に不活性であり、ポリマー樹脂との結合が不十分です。表面処理 (通常は電解酸化) は、繊維表面に酸素含有官能基 (カルボキシル、ヒドロキシル、カルボニル) を導入することでこれを修正します。このプロセスでは、制御された電流を流しながら、ファイバーを電解質槽に通過させます。

その結果、粗くなった化学的に活性な表面が得られます。 エポキシやその他の樹脂系への接着力が大幅に向上 。層間せん断強度（層間の層間剥離に対する複合材料の抵抗）は、表面処理によって改善される主な特性です。これがなければ、炭素繊維から作られた複合材料は、特にせん断荷重下で、繊維とマトリックスの接着力が低下し、機械的性能が低下します。

炭素繊維のサイジングプロセス

サイジングは、ファイバーをボビンに巻き付けるか、さらに加工する前の最終ステップです。サイジング剤 (通常はエポキシと相溶性のポリマー) の薄いコーティング (通常は 0.5 ～ 5 重量%) が、水ベースのエマルションバスから繊維表面に塗布されます。

サイジングは複数の機能を果たします。サイジングは、その後の取り扱いや製織作業中の摩耗から繊維を保護し、加工を容易にするためにフィラメントを束ね、最終複合材料に使用される樹脂システムとの適合性をさらに促進します。通常、サイジング配合物は目的の樹脂に適合します。エポキシ複合材の場合はエポキシサイジング、熱可塑性マトリックス複合材の場合は熱可塑性樹脂と適合するサイジングです。サイズが一致しないと、繊維とマトリックスの結合が妨げられ、複合材の機械的性能が低下する可能性があります。

PAN とピッチの炭素繊維

炭素繊維の 2 つの主要な前駆体材料である PAN (ポリアクリロニトリル) とピッチは、さまざまな用途に適した異なる特性プロファイルを備えた繊維を生成します。

PAN系炭素繊維 製造プロセスが確立されており、一貫した繊維品質が得られ、強力で汎用性の高い製品が生産されるため、市場を独占しています。 PAN 繊維は、構造用途に最適な引張強度と剛性の組み合わせを実現します。標準弾性率 PAN 繊維 (東レ T300 グレードなど) は、航空宇宙、自動車、スポーツ用品業界の主力製品です。

ピッチ系炭素繊維 石油またはコールタール処理の副産物である等方性ピッチまたはメソフェーズピッチから製造されます。ピッチ繊維を黒鉛化することで、超高弾性率（最大 900 GPa）と優れた熱伝導率（PAN ベースの繊維の約 10 W/m・K と比較して、最大 1,000 W/m・K）を実現できます。これらの特性により、ピッチベースのファイバーは、引張強度よりも温度での剛性と寸法安定性が重要となる衛星構造、熱管理コンポーネント、および精密光学システムにおいて価値があります。

カーボンファイバーとグラスファイバー

カーボンファイバーとグラスファイバー (ガラス繊維強化ポリマー、つまり GFRP) は、最も広く使用されている 2 つの複合強化材料であり、価格帯が非常に異なるにもかかわらず重複する用途に使用できるため、頻繁に比較されます。

グラスファイバーの引張弾性率は約 70～85GPa — 標準的なカーボンファイバーの約 3 分の 1。剛性が大幅に低いため、GFRP コンポーネントは同等の荷重下でより多くたわみます。ただし、グラスファイバーは CFRP よりも破損ひずみが高く (約 3 ～ 4%)、耐衝撃性に優れており、コストがかかります。 5～10分の1以下 それほど要求の厳しいアプリケーションでは、同等のパフォーマンス レベルで 1 キログラムあたりの重量を実現します。

また、グラスファイバーは非導電性であり、レーダーや無線周波数に対して透明であるため、レドーム、船舶の船体、風力タービンのブレード、および民生用ウォーター スポーツ用品に好んで使用される特性があります。カーボンファイバーは導電性があるため、RF 透過性が必要な用途には適していません。

カーボンファイバーとグラスファイバーのどちらを選択するかは、通常、予算に応じた重量と剛性の要件によって決まります。競争力のあるモータースポーツ、高性能航空機構造、レーシングバイクなど、最小重量と最大剛性が重要な場合には、カーボンファイバーが明確な選択です。コスト、耐衝撃性、または RF 透過性がより重要な場合、依然としてファイバーグラスが主要な材料です。

カーボンファイバー vs スチール

炭素繊維複合材料と鋼の比較は、比強度 (単位重量あたりの強度) と比剛性に基づいた場合に最も意味があります。これらの指標では、CFRP は構造用鋼よりも大幅に優れています。炭素繊維は、 比引張強さは鋼の約5～10倍 比剛性は 3 ～ 4 倍です。

絶対的な観点から見ると、高張力鋼は、一部の炭素繊維グレードと競合する 2,000 MPa を超える引張強度を達成できますが、密度は 4 倍以上になります。重量が重要なアプリケーションの場合、スチール製コンポーネントを同等の CFRP 設計に置き換えることで、通常、 40 ～ 60% の重量削減 .

スチールには重要な利点が残っています。延性があり、破断する前に目に見えて変形し、警告とエネルギー吸収を提供します。 CFRP は脆く、目に見える表面変形がなければ壊滅的に破損する可能性があります。また、鋼ははるかに安価で、溶接や修理が容易で、構造工学の実践においてよく理解されています。衝撃エネルギーの吸収、修復性、またはコストが主な設計要因である用途では、スチールは依然として置き換えが困難です。カーボンファイバーの利点は、航空機、人工衛星、高性能車両、競技用スポーツ用品など、重量が性能や運用コストに直接つながる用途で最も決定的です。

航空宇宙における炭素繊維

航空宇宙産業は、カーボンファイバーの高い強度重量比、剛性、耐疲労性、熱安定性の組み合わせが最も明確な価値をもたらす業界です。航空機の構造から 1 キログラム削減されるごとに、燃料の節約、積載量、または航続距離に直接変換されます。地上でのアプリケーションではめったに行われない方法で、経済性から高級素材が好まれます。

2011 年に導入されたボーイング 787 ドリームライナーは、大部分が複合材料の主構造を備えた最初の民間航空機でした。 機体重量の約50％がCFRPです 、胴体、翼、尾翼を含みます。従来のアルミニウム主体の設計と比較して、787 は約 20% 優れた燃費を実現します。エアバス A350 XWB も同様の複合材主体の設計を採用しており、構造重量の約 53% を CFRP が占めています。

軍用航空分野では、1970 年代と 1980 年代の F-16 と F/A-18 以来、炭素繊維は戦闘機の構造に標準的に使用されてきました。 F-22やF-35のような現代の戦闘機は機体構造の大部分にCFRPを使用しています。宇宙用途では、衛星構造パネル、太陽電池アレイ基板、ロケット モーター ケーシングに炭素繊維が使用されており、軽量、高剛性、ほぼゼロの熱膨張の組み合わせはかけがえのないものです。

自動車における炭素繊維

自動車におけるカーボンファイバーの採用は、1980 年代初頭の F1 レースから、1990 年代と 2000 年代のスーパーカー生産を経て、2010 年代以降の量産でのより広範な使用に向けて、明確な軌道をたどってきました。

マクラーレンは、1981 年にフォーミュラ 1 に初のカーボンファイバー モノコック シャーシを導入しました。衝突性能の向上はすぐに顕著でした。タブの高いエネルギー吸収 (制御された破損による) と剛性の組み合わせにより、アルミニウム モノコックでは達成できないドライバー保護が実現しました。現在、F1 のすべてのシャーシ、ボディパネル、フロア、ウイングは CFRP で作られています。

ロードカーでは、BMW の i3 および i8 モデル (2013 年から 2014 年に発売) は、大量の樹脂トランスファー成形プロセスを使用して製造された、カーボンファイバー強化ポリマー乗用セルを備えた初の量産車となりました。 BMW i3 の CFRP ライフ モジュールの重量はおよそ 同等の鉄骨造に比べて 130 kg 軽量化 、バッテリー重量のペナルティのかなりの部分を相殺します。

自動車への広範な普及に対する主な障壁は依然としてコストです。炭素繊維原料のコストは 1 キログラムあたりおよそ 20 ～ 30 ドル (標準グレードの場合) ですが、自動車グレードの鋼材のコストは 1 キログラムあたり 1 ドル未満です。オートクレーブ硬化した CFRP コンポーネントのサイクル タイム (部品あたり数時間) は、多額のプロセス投資を行わない大量生産とは相容れません。チョップドカーボンファイバーの圧縮成形やオートクレーブを使用しないプロセスにより、これらの障壁が軽減されており、中級性能の車両におけるカーボンファイバーの含有量は着実に増加しています。

スポーツ用品におけるカーボンファイバー

スポーツ用品は、航空宇宙以外ではカーボンファイバーの最も初期の商業市場の 1 つであり、パフォーマンス向上のために割増料金を支払うことをいとわないアスリートやメーカーによって推進されました。この素材の剛性対重量の利点は、他の素材では達成するのが難しい方法でユーザーに直接感じられます。

競技サイクリングでは、1990 年代以来、カーボンファイバー フレームがプロのプロトンを支配してきました。トップレベルのロードレースフレームの重量が以下に 700グラム — アルミニウム同等品の 1.2 ～ 1.5 kg と比較して — パワー伝達のための優れた剛性と、ライダーの快適性のために特定の方向への調整可能なコンプライアンスを提供します。カーボンファイバーのホイール、ハンドルバー、シートポスト、クランクにより、さらなる軽量化が実現します。

テニスでは、カーボンファイバーのラケットフレームは、アルミニウムや複合材の代替品よりも軽量でありながら、パワー伝達のための高い剛性を提供します。カーボンファイバー製ゴルフシャフトは、ドライバーの重量を軽減しながら、スチールシャフトよりも一貫したフレックスプロファイルと優れた振動減衰を実現します。ボート競技では、エリートレベルでは木製やグラスファイバーの用具に代わって、カーボンファイバーのオールとシェルが使用されています。

カーボンファイバーは義肢や適応型スポーツ用品の中心でもあります。オッスル チーター ランニング ブレード (パラリンピックの短距離走者が使用するカーボンファイバー義足) は、素材の弾性エネルギー貯蔵を利用してアキレス腱の機能を再現し、健常者に匹敵するスプリント速度を可能にします。ブレードは足を踏むときにエネルギーを蓄え、つま先を離すときにエネルギーを放出します。この機能には、カーボンファイバー複合材が独自に提供する剛性、フレックス、強度の正確な組み合わせが必要です。