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炭素繊維（または CF、グラファイト繊維）は、直径約5 ～10マイクロメートル（0.00020～0.00039インチ）の繊維で、主に炭素原子で構成されています。[ 1 ]炭素繊維には、高い剛性、高い引張強度、高い強度対重量比、高い耐薬品性、高温耐性、低い熱膨張など、いくつかの利点があります。[ 2 ]これらの特性により、炭素繊維は航空宇宙、土木工学、軍事、モータースポーツ、その他の競技スポーツで非常に人気があります。[ 3 ]しかし、ガラス繊維、玄武岩繊維、プラスチック繊維などの類似の繊維と比較すると、比較的高価です。[ 4 ]
炭素繊維を製造するには、炭素原子を結合させて結晶構造を作ります。この結晶構造は、繊維の長軸にほぼ平行に配列しており、この結晶配列によって繊維は高い強度対体積比（つまり、繊維のサイズに対して強度が高い）を実現します。数千本の炭素繊維を束ねてトウ（繊維束）を形成し、これをそのまま使用することも、織物として利用することもできます。
炭素繊維は通常、他の材料と組み合わせて複合材料を形成します。例えば、プラスチック樹脂を浸透させて焼成すると、炭素繊維強化ポリマー（一般的に炭素繊維と呼ばれる）が形成されます。これは、強度対重量比が非常に高く、極めて剛性が高いものの、やや脆い性質を持っています。また、炭素繊維は、グラファイトなどの他の材料と複合化され、耐熱性に優れた強化炭素複合材料を形成することもあります。
炭素繊維強化材料は、航空機や宇宙船の部品、レーシングカーの車体、ゴルフクラブのシャフト、自転車のフレーム、カメラの三脚、釣り竿、自動車のスプリング、ヨットのマストなど、軽量かつ高強度が必要とされる多くの部品の製造に使用されています。
1860年、ジョセフ・スワンは電球に使用するために初めて炭素繊維を製造した。[ 5 ] 1879年、トーマス・エジソンは綿糸または竹の細片を高温で焼いて炭化させ、電気で加熱される最初の白熱電球の1つに使用される全炭素繊維フィラメントを作った。[ 6 ] 1880年、ルイス・ラティマーは電気で加熱される白熱電球用の信頼性の高い炭素線フィラメントを開発した。[ 7 ]
1958年、ロジャー・ベーコンはオハイオ州クリーブランド郊外にあるユニオン・カーバイド・パルマ技術センターで高性能炭素繊維を開発した。[ 8 ]これらの繊維はレーヨンの糸を炭化するまで加熱して製造された。このプロセスは、得られた繊維の炭素含有量が約20%に過ぎなかったため、非効率的であることが判明した。1960年代初頭、日本の産業技術庁の進藤昭夫博士は、原料としてポリアクリロニトリル（PAN）を使用するプロセスを開発した。これにより、炭素含有量が約55%の炭素繊維が製造された。1960年、HIトンプソン・ファイバーグラス社のリチャード・ミリングトンは、レーヨンを前駆体として使用して高炭素含有量（99%）の繊維を製造するプロセス（米国特許第3,294,489号）を開発した。これらの炭素繊維は、高い強度対重量比を持つ複合材料の強化材として、また耐高温用途に使用されるのに十分な強度（弾性率および引張強度）を有していた。
炭素繊維の高い潜在的強度は、1963 年にハンプシャー州ファーンバラの王立航空研究所で W. ワット、LN フィリップス、W. ジョンソンによって開発されたプロセスで実現されました。このプロセスは英国国防省によって特許が取得され、英国国立研究開発公社によって、すでに炭素繊維を製造していたロールス・ロイス、モーガナイト、コーテルズの3 社にライセンス供与されました。数年後、1968 年にロールス・ロイス コンウェイ ジェットエンジンのビッカース VC10にHyfil炭素繊維ファン アセンブリが成功裏に使用された後、[ 9 ]ロールス・ロイスは新素材の特性を利用して、炭素繊維コンプレッサー ブレードを備えたRB-211航空エンジンでアメリカ市場に参入しました。残念ながら、ブレードは鳥の衝突による損傷に弱いことが判明しました。この問題やその他の問題によりロールス・ロイスは大きな打撃を受け、1971年に国有化されました。炭素繊維製造工場は売却され、ブリストル・コンポジット・マテリアルズ・エンジニアリング社（ブリストル・コンポジットと呼ばれることが多い）が設立されました[ 10 ] 。
1960年代後半、日本はPAN系炭素繊維の製造で主導権を握った。1970年の共同技術協定により、ユニオン・カーバイドは日本の東レ製品を製造することができた。モルガナイトは炭素繊維の製造は中核事業の周辺的なものであると判断し、英国で唯一の大手メーカーとしてコーテルズが残った。コーテルズの水性無機プロセスは、他の炭素繊維メーカーが使用する有機プロセスでは問題とならない不純物の影響を受けやすく、その結果、コーテルズは1991年に炭素繊維の製造を中止した。
1960年代、代替原料を探すための実験的研究の結果、石油精製で得られる石油ピッチから作られた炭素繊維が導入された。これらの繊維は約85%の炭素を含み、優れた曲げ強度を有していた。また、この時期、日本政府は国内での炭素繊維開発を強力に支援し、東レ、日本カーボン、東邦レーヨン、三菱重工業などの複数の日本企業が独自の開発・生産を開始した。1970年代後半からは、引張強度4,000MPaの東レT400や弾性率400GPaのM40など、より高い引張強度と弾性率を持つ炭素繊維糸が世界市場に登場した。さらに、引張強度6,000MPaに達する東邦レーヨンIM600などの中間炭素繊維も開発された。東レ、セラニーズ、アクゾの炭素繊維は、軍用機、そして後にマクドネル・ダグラス、ボーイング、エアバス、ユナイテッド・エアクラフト・コーポレーションなどの民間航空機の二次部品から一次部品へと、航空宇宙用途に採用されるようになりました。1988年、ジェイコブ・ラヒジャニ博士は、自動車や航空宇宙用途で広く使用されている、バランスの取れた超高ヤング率（ 690,000 MPa以上）と高引張強度（3,400 MPa以上）のピッチ炭素繊維を発明しました。2006年3月、この特許はテネシー大学研究財団に譲渡されました。[ 11 ]
炭素繊維は、リールに巻き取られた連続トウの形で供給されることが多い。トウは、ポリエチレンオキシド（PEO）やポリビニルアルコール（PVA）などの有機コーティングまたはサイズ剤で束ねられ保護された、数千本の連続した個々の炭素フィラメントの束である。トウは、使用のためにリールから簡単に巻き出すことができる。トウ内の各炭素フィラメントは、直径5～10マイクロメートルの連続した円筒で、ほぼ完全に炭素で構成されている。初期世代（T300、HTA、AS4など）の直径は16～22マイクロメートルであった。[ 12 ]後期の繊維（IM6またはIM600など）の直径は約5マイクロメートルである。[ 12 ]
炭素繊維の原子構造はグラファイトと似ており、規則的な六角形パターンで配列された炭素原子のシート（グラフェンシート）から構成されているが、違いはこれらのシートの結合の仕方にある。グラファイトは結晶性物質であり、シートは規則的に互いに平行に積み重なっている。シート間の分子間力は比較的弱いファンデルワールス力であり、これがグラファイトの柔らかく脆い性質の原因となっている。
繊維の原料となる前駆物質によって、炭素繊維はターボストラティック構造、グラファイト構造、またはグラファイト部分とターボストラティック部分の両方を含むハイブリッド構造となる。ターボストラティック炭素繊維では、炭素原子のシートが不規則に折り畳まれたり、くしゃくしゃになったりしている。ポリアクリロニトリル（PAN）由来の炭素繊維はターボストラティック構造であるが、メソフェーズピッチ由来の炭素繊維は2200 ℃を超える温度で熱処理するとグラファイト構造になる。ターボストラティック炭素繊維は高い引張強度を持つ傾向があるのに対し、熱処理されたメソフェーズピッチ由来の炭素繊維は高いヤング率（すなわち、荷重下での伸びに対する高い剛性または抵抗）と高い熱伝導率を持つ。
炭素繊維は他の材料よりもコストが高くなる可能性があり、それが採用を制限する要因の1つとなっています。自動車材料として鋼と炭素繊維材料を比較すると、炭素繊維は10～12倍高価になる可能性があります。しかし、このコストプレミアムは、2000年代初頭の鋼の35倍という推定値から、過去10年間で低下しています。[ 13 ]
炭素繊維は、特に炭素繊維強化ポリマーまたはグラファイト強化ポリマーとして知られる材料のクラスにおいて、複合材料を強化するために最もよく使用されます。非ポリマー材料も炭素繊維のマトリックスとして使用できます。金属炭化物の形成と腐食の問題により、炭素は金属マトリックス複合材料の用途では限られた成功しか収めていません。 強化炭素炭素（RCC）は炭素繊維強化グラファイトで構成され、高温用途で構造的に使用されます。この繊維は、高温ガスのろ過、高い表面積と優れた耐腐食性を持つ電極、および帯電防止部品としても使用されています。炭素繊維の薄い層を成形すると、高密度でコンパクトな炭素繊維層が効率的に熱を反射するため、ポリマーまたは熱硬化性複合材料の耐火性が大幅に向上します。[ 14 ]
炭素繊維複合材の使用が増加するにつれ、ガルバニック腐食の問題から、航空宇宙用途ではアルミニウムが他の金属に取って代わられつつあります。[ 15 ] [ 16 ]しかし、炭素繊維はガルバニック腐食のリスクを排除するものではありません。[ 17 ]金属と接触すると、「完全なガルバニック腐食セルを形成し、金属と炭素繊維の間にシーラントを塗布しない限り、金属はガルバニック腐食攻撃を受けることになります」。[ 18 ]
炭素繊維は、アスファルトに添加剤として使用することで、導電性アスファルトコンクリートを作ることができます。[ 19 ]この複合材料を輸送インフラ、特に空港舗装に使用すると、氷や雪の存在によるフライトのキャンセルや遅延につながる冬季のメンテナンスの問題が軽減されます。複合材料の炭素繊維の3Dネットワークに電流を流すと、熱エネルギーが放散され、アスファルトの表面温度が上昇し、その上の氷や雪を溶かすことができます。[ 20 ]
炭素繊維の原料は、ポリアクリロニトリル（PAN）、レーヨン、ピッチです。炭素繊維フィラメント糸は、いくつかの加工技術で使用されます。直接的な用途としては、プリプレグ、フィラメントワインディング、プルトルージョン、織物、編組などがあります。炭素繊維糸は、線密度（単位長さあたりの重量、つまり1 g/1000 m = 1 tex）または糸番手あたりのフィラメント数（千単位）で評価されます。たとえば、炭素繊維のフィラメントが3,000本で200 texのものは、1,000本の炭素繊維フィラメント糸の3倍の強度がありますが、重量も3倍です。この糸は、炭素繊維フィラメントの布地を織るために使用できます。この布地の外観は、一般的に糸の線密度と選択された織り方によって決まります。一般的に使用される織り方には、綾織り、朱子織り、平織りなどがあります。炭素繊維糸は、編んだり組んだりすることもできます。乾式繊維状炭素繊維複合材（CFRP）は、通常、回転式機械刃または超音波カッターを備えたCNCデジタル切断システムを使用して切断されます。
炭素繊維は、炭素繊維マイクロ電極の製造に使用されます。この用途では、通常、直径 5～7 μm の単一の炭素繊維がガラスキャピラリーに封入されます。[ 21 ]先端では、キャピラリーはエポキシで封入され、研磨されて炭素繊維ディスクマイクロ電極が作られるか、繊維が 75～150 μm の長さに切断されて炭素繊維シリンダー電極が作られます。炭素繊維マイクロ電極は、生化学的シグナルの検出のために、アンペロメトリーまたは高速スキャンサイクリックボルタンメトリーのいずれかに使用されます。
炭素繊維は電気伝導性に優れていることで知られていますが、単体ではごくわずかな電流しか流せません。しかし、大きな布地に織り込むことで、柔軟な電気発熱体を必要とする用途において、安定した（赤外線）加熱を提供することができ、100 ℃を超える温度にも容易に耐えることができます。この種の用途の例としては、DIYで作る電熱衣類や毛布などが挙げられます。炭素繊維は化学的に不活性であるため、ほとんどの布地や素材の中で比較的安全に使用できますが、素材が折り返されてショートすると発熱量が増加し、火災につながる可能性があります。
炭素繊維は、ポリアクリロニトリル（PAN）、レーヨン、石油ピッチなどのポリマーから製造されます。これらのポリマーはすべて前駆体として知られています。PANやレーヨンなどの合成ポリマーの場合、まず前駆体をフィラメント糸に紡績し、化学的および機械的なプロセスを使用してポリマー分子を初期的に整列させ、完成した炭素繊維の最終的な物理的特性を向上させます。フィラメント糸の紡績中に使用される前駆体の組成と機械的プロセスは、製造業者によって異なる場合があります。引き抜きまたは紡績後、ポリマーフィラメント糸を加熱して非炭素原子を除去し（炭化）、最終的な炭素繊維を生成します。炭素繊維フィラメント糸は、取り扱い性を向上させるためにさらに処理され、ボビンに巻き取られます。[ 22 ]
一般的な製造方法では、紡糸したPANフィラメントを 空気中で約300℃まで加熱し、多くの水素結合を切断して材料を酸化します。このプロセス中に、繊維は収縮する傾向があります。結果として得られる繊維の化学組成と機械的特性は、プロセスの時間と温度、および酸化中に繊維に加わる張力に依存します。[ 23 ]酸化されたPANは、アルゴンなどのガスの不活性雰囲気を持つ炉に入れられ、約2000 ℃まで加熱され、材料の黒鉛化を誘発し、分子結合構造が変化します。適切な条件下で加熱すると、これらの鎖が横方向に結合し（ラダーポリマー）、狭いグラフェンシートを形成し、最終的に融合して単一の柱状フィラメントを形成します。結果として得られるのは通常93～95%の炭素です。低品質の繊維は、PANの代わりにピッチまたはレーヨンを前駆体として使用して製造できます。炭素は、熱処理プロセスによって、高弾性率炭素や高強度炭素としてさらに強化することができる。1500～2000 ℃の範囲で加熱された炭素（炭化）は最高の引張強度（5,650 MPa）を示し、2500～3000 ℃で加熱された炭素繊維（黒鉛化）はより高い弾性率（531 GPa）を示す。