カナダ

CFSMC、またはカーボンファイバーシート成形コンパウンド（ CSMCまたはCF-SMCとも呼ばれる）は、圧縮成形で使用される、成形可能なカーボンファイバー強化ポリマー複合材料です。従来のSMCはポリマー樹脂にチョップドガラスファイバーを使用しますが、CFSMCはチョップドカーボンファイバーを使用します。カーボンファイバーの長さと分布は、標準的なガラスSMCよりも規則的で均質で一定です。CFSMCは、標準的なSMCよりもはるかに高い剛性と通常は高い強度を提供しますが、コストが高くなります。

CF-SMCは、未硬化の熱硬化性樹脂の2層の間に広げられた炭素繊維束の塊で構成されています。炭素繊維束は、プリプレグUDテープから切り出されます。元のテープは、一定数の繊維（フィラメント）で構成されている場合があり、最終的な複合材料の特性に影響を与えます。値は3〜5万フィラメントの範囲で変化しますが、一般的な束の長さは10〜50 mmです。^[1]樹脂については、熱硬化性樹脂が使用されます。ポリエステル、ビニルエステル、エポキシが選択肢として挙げられますが、前者は最も安価で、後者は最も高性能です。ビニルエステルは、エポキシほど強くも硬くもありませんが、腐食や高温耐性などの特性があるため、よく使用されます。^[2]構成要素は、プリプレグ材料のシートに結合されます。通常、束はカッターから2層の樹脂のうちの1つに落ち、次に2層目で覆われます。SMCのプリプレグシートは、粘性アセンブリがローラーで圧縮された後に作られます。この段階では、繊維の方向を制御することは通常不可能であり、繊維はすべての方向に等確率で方向を持っていると考えられます。

プリプレグシートができたら、その材料を圧縮成形して最終的な希望の形状にすることができます。圧縮成形は、2 つの部分から成る金型を必要とする製造技術です。最初の金型には成形材料 (充填材) を入れ、2 番目の金型はプレス機に取り付けられ、高圧をかけながらキャビティを閉じます。形状が複雑なため、シートを切断して下部金型に簡単に配置する必要がある場合があります。次に、上部金型のキャビティが閉じている間に、材料が金型全体に押し込まれて閉じます。圧力と高温が維持され、樹脂が硬化して多孔性が低くなります。この段階は、金型キャビティへの粘性流が流れの方向に沿って繊維を配向する傾向があるため、最終製品の機械的性能に大きな影響を与えます。流れの量と方向を制御することで、繊維の配向に影響を与え、準等方性材料 (低流量成形) または所望の方向でより高い性能 (高流量成形) を得ることができます。^[3]

製造段階では、ウェルドラインなどの欠陥を可能な限り回避することも重要です。ウェルドラインは、金型キャビティの充填中に材料の2つのフローフロントが出会うときに発生します。これにより、空気の閉じ込め、ポリマーマトリックスの架橋阻害、または繊維の凝集または欠落が生じることがあります。これらの理由により、ウェルドラインは純粋なポリマー樹脂と同等かそれよりも弱い場合があります。^[4]

CF-SMC は不均質で異方性の微細構造を持つため、その機械的特性は広範囲にわたって大きく変化する可能性があります。これらの材料の性能に大きな影響を与えるパラメータは、主に繊維とマトリックスの機械的および幾何学的特性 (特に繊維の特性) と強化材の配向と含有量に関係しています。弾性率は20 GPa 未満から 60 GPa まで変化しますが、強度値は 60～500 MPa の範囲です。^[3]

CF-SMC は、連続繊維複合材と同様に、ある程度、特定の方向でより優れた性能を発揮するように設計することもできます。これは、圧縮成形段階を注意深く制御して繊維配向に影響を与えることで実現できます。^[5]繊維が主に荷重方向と揃っている場合、材料の挙動は主に繊維の挙動によって支配されるため、強度と剛性が増しますが、脆い応答も得られます。反対に、繊維が荷重方向に対して垂直に配置される傾向がある場合、樹脂が荷重支持に大きく寄与し、複合材全体の剛性と強度が低下し、延性が高まります。ただし、CF-SMC は流体力学的輸送現象に基づいているため、繊維配向の制御は、配向が製造元によって直接正確に決定されることが多い連続複合材の場合よりもはるかに制限されています。さらに、連続繊維複合材には特定の配向があるのに対し、短繊維強化プラスチックには優先配向がある場合があります。つまり、一般的な軸システムを考慮すると、大部分の繊維は、ある方向に沿ってより高い成分を持ち、他の 2 つの軸に沿ってより低い成分を持つことができます。

これらの材料の不連続なトウベースの微細構造は、標準的な複合材料よりもさらに不均一です。繊維の端自体が樹脂と隣接するトウの両方の応力集中領域として機能します。さらに、特に複雑な形状の部品では、樹脂ポケットのように、トウが適切に整列していない（たとえば、軸方向の応力の方向に対して垂直）または繊維の体積含有量が低い局所的なスポットを防ぐことは不可能です。材料は弱くなり、構造設計はより複雑になりますが、この特徴により、これらの材料はノッチに対して非常に鈍感になります。^[3]

CFSMC は、成形すると、格子縞模様の織り模様が伝統的に現れる従来の炭素繊維織物複合材とはまったく異なる外観になります。CFSMC は、黒と灰色の大理石または節のような外観になります。

CF SMC は、炭素複合材の軽量特性と、圧縮成形などの製造プロセスを組み合わせたもので、迅速な製造が可能で、大量生産の工業用途に適しています。これらの理由から、自動車業界はこの技術の最適な候補の 1 つです。

自動車メーカーは、シボレー コルベットなどの厳選されたスポーツカーのボディパネルの材料として、30年以上にわたって標準的なガラスSMCを使用しています。^[6]ガラス繊維をカーボンに置き換えることは最近の開発であり、2003年ダッジ バイパー、^[7]メルセデスAMG Eクラスの多機能スペアホイールパン、 ^[8]メルセデスベンツSLRマクラーレン、2009年レクサスLFA、^[9] 2015年ランボルギーニ ウラカン、2017年BMW 7シリーズ^[10]、2017年マクラーレンシャーシの重要な構造部品に使用されています。^[11] ランボルギーニは（キャロウェイゴルフカンパニーと共同で）鍛造コンポジットと呼ばれるCF-SMCの高度なバージョンの特許を取得しました。^{[12]彼らは}セストエレメント コンセプトカーで初めてそれを導入し、それ以来、鍛造複合材は構造的にも美的にもランボルギーニ車の特徴的なマークとなっています。CF-SMCの使用は、2017年のトヨタプリウスPHVのように、より広範な非高性能自動車分野にも最近広がっています。^[13]

CF-SMCは航空業界でもボーイング787ドリームライナーの窓枠に使用されており、製造業者はこれらの材料の使用がこの分野でも拡大すると示唆している。^{[14] [15] [16]}