炭素繊維

炭素繊維 または カーボンファイバー（CF、グラファイト繊維、グラファイトファイバーとも呼ばれる）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、高剛性、高引張強度、高強度対重量比、高耐薬品性、高温耐性、低熱膨張など、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]ただし、}ガラス繊維、玄武岩繊維、プラスチック繊維などの同様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、炭素原子を結晶に結合させ、結晶を繊維の長軸とほぼ平行に並べます。結晶の配列によって、繊維の強度と体積の比率が高くなります (言い換えると、繊維のサイズに対して強度が高い)。数千本の炭素繊維を束ねてトウを形成し、これを単独で使用したり、織物に 織り込んだりします。

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。たとえば、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（多くの場合、炭素繊維と呼ばれます）が形成されます。これは、非常に高い強度対重量比を持ち、やや脆いものの非常に硬いです。炭素繊維は、グラファイトなどの他の材料と複合されて、非常に高い耐熱性を持つ 強化炭素炭素複合材料を形成することもできます。

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、釣り竿、自動車のスプリング、ヨットのマストなど、軽量で高強度が求めら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ました。^[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し、電気で加熱される最初の白熱電球の1つに使用されるオールカーボン繊維フィラメントを作りました。^[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ました。^[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のユニオン・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ました。^{[8]これらの繊維は}、レーヨンのストランドを炭化するまで加熱することで製造されました。このプロセスは非効率的であることが判明し、得られた繊維には約20％の炭素しか含まれていませんでした。1960年代初頭、日本の工業技術院の進藤昭夫博士がポリアクリロニトリル（PAN）を原料として使用するプロセスを開発しました。これにより、約55％の炭素を含む炭素繊維が製造されました。1960年にHIトンプソンファイバーグラス社のリチャード・ミリントンは、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）を開発しました。これらの炭素繊維は、高強度対重量特性を持つ複合材料や高温耐性用途の強化材として使用できる十分な強度（弾性率および引張強度）を備えています。

炭素繊維の潜在的強度の高さは、1963年にハンプシャー州ファーンバラの王立航空機研究所でW・ワット、L・N・フィリップス、W・ジョンソンが開発し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が特許を取得し、その後英国国立研究開発法人から、既に炭素繊維を製造していたロールス・ロイス、モルガナイト、コートールドの3社にライセンス供与されました。1968年にハイフィルの炭素繊維ファンアセンブリをビッカースVC10のロールス・ロイス・コンウェイジェットエンジンに使用して成功を収めた後、数年のうちに^{[9]ロールス・ロイスはこの新素材の特性を利用して、炭素繊維製コンプレッサーブレードを備えた}RB-211航空エンジンで米国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を受けやすいことが判明しました。この問題と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。炭素繊維生産工場は売却され、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^[10]（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。

1960 年代後半、PAN ベースの炭素繊維の製造では日本が主導権を握りました。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の製造が可能になりました。モルガナイトは炭素繊維製造を自社のコア事業の周辺的事業とみなし、コートールズを唯一の英国大手製造業者として残しました。コートールズの水ベースの無機プロセスでは、他の炭素繊維製造業者が使用する有機プロセスには影響しない不純物の影響を受けやすく、コートールズは 1991 年に炭素繊維製造を中止しました。

1960年代には、代替原料を見つけるための実験的研究により、石油処理から得られる石油ピッチから作られた炭素繊維が導入されました。これらの繊維は約85％の炭素を含み、優れた曲げ強度を持っていました。また、この時期に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、三菱などのいくつかの日本企業が独自の開発と生産を開始しました。1970年代後半からは、より高い引張強度とより高い弾性率を提供するさらなるタイプの炭素繊維糸が世界市場に参入しました。たとえば、東レのT400は引張強度4,000MPa 、M40は弾性率が400GPaです。東邦レーヨンのIM 600などの最高6,000MPaの中間炭素繊維も開発されました。東レ、セラニーズ、アクゾの炭素繊維は、最初は軍用機、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・コーポレーションの航空機などの民間機で二次部品から一次部品まで航空宇宙用途に利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とれた超高ヤング率（100 Mpsi以上）と高引張強度（500 kpsi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、リールに巻か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で保護され、一緒に保持された数千の連続した個々の炭素フィラメントの束である。トウは、使用時にリールから簡単に巻き戻すことができる。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形で、ほぼ完全に炭素で構成されています。最も初期の世代（T300、HTA、AS4など）の直径は16〜22マイクロメートルでした。^[12]後の繊維（IM6またはIM600など）の直径は約5マイクロメートルです。^[12]

炭素繊維の原子構造はグラファイトの原子構造に似ており、規則的な六角形パターンに配列された炭素原子のシート（グラフェンシート）で構成されていますが、これらのシートが絡み合う方法が異なります。グラファイトは、シートが規則的に互いに平行に積み重ねられた結晶性物質です。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、グラファイトに柔らかく脆い特性を与えています。

繊維を作るための前駆体によって、炭素繊維はターボストラティックまたはグラファイトになるか、グラファイト部分とターボストラティック部分の両方が存在するハイブリッド構造になります。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無秩序に折り畳まれ、またはくしゃくしゃになっています。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ですが、メソフェーズ ピッチ由来の炭素繊維は 2200 °C を超える温度で熱処理するとグラファイトになります。ターボストラティック炭素繊維は極限引張強度が高くなる傾向がありますが、熱処理されたメソフェーズピッチ由来の炭素繊維はヤング率が高く(つまり、荷重下での伸びに対する剛性または抵抗が高い)、熱伝導率も高くなります。

炭素繊維は他の材料よりもコストが高く、こ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倍高価です。しかし、このコストプレミアムは、2000年代初頭に鋼の35倍と見積もられていたものから、過去10年間で下がっています。^[13]

炭素繊維は、複合材料、特に炭素繊維またはグラファイト強化ポリマーと呼ばれる材料の強化に最もよく使用されています。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考慮により、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ており、高温用途で構造的に使用されます。この繊維は、高温ガスの濾過、表面積が大きく耐腐食性に優れた電極、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の層が熱を効率的に反射するため、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え、ガルバニック腐食の問題により、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]}ただし、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ないことに注意してください。^[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ます」。^[18]

炭素繊維はアスファルトの添加剤として使用され、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]この複合材料を交通インフラ、特に空港の舗装に使用すると、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、織り、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、200 tex で 3,000 フィラメントの炭素繊維は、1,000 フィラメントの炭素繊維糸の 3 倍の強度がありますが、重さも 3 倍になります。この糸は、炭素繊維フィラメントの織物または布を織るのに使用できます。この織物の外観は、一般に、糸の線密度と選択し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。カーボンフィラメント糸は編んだり編んだりすることもできます。

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5～7μmの単一の炭素繊維がガラス毛細管に密封されます。^[21]毛細管の先端はエポキシで密封され、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75～150μm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、生化学的シグナル伝達の検出のための 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で使用されます。

カーボン ファイバーは電気伝導性があることで知られていますが、それ自体では非常に低い電流しか流すことができません。より大きな布地に織り込むと、柔軟な電気加熱要素を必要とする用途で (赤外線) 加熱を確実に提供するために使用でき、100 °C を超える温度に簡単に耐えることができます。この種の用途の多くの例は、DIY加熱衣類や毛布で見ることができます。化学的に不活性であるため、ほとんどの布地や素材で比較的安全に使用できますが、素材が折り重なってショートすると、熱の発生が増加し、火災につながる可能性があります。

各炭素繊維は、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、前駆体は最初に化学および機械プロセスを使用してフィラメント糸に紡がれ、完成した炭素繊維の最終的な物理的特性を高めるようにポリマー分子を最初に整列させます。フィラメント糸の紡糸中に使用される前駆体の組成と機械的プロセスは、メーカーによって異なる場合があります。延伸または紡糸後、ポリマーフィラメント糸は加熱されて非炭素原子が追い出され (炭化)、最終的な炭素繊維が生成されます。炭素繊維フィラメント糸は、取り扱い品質を向上させるためにさらに処理され、その後ボビンに巻き取られる場合があります。^[22]

一般的な製造方法では、紡糸されたPANフィラメントを空気中で約300 °Cに加熱し、多くの水素結合を切断して材料を酸化します。次に、酸化されたPANをアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気を持つ炉に入れ、約2000 °Cに加熱します。これにより、材料の黒鉛化が誘発され、分子結合構造が変わります。適切な条件で加熱すると、これらの鎖は左右に結合し（ラダーポリマー）、細いグラフェンシートを形成し、最終的に1本の円柱状のフィラメントに融合します。結果は通常、93～95%の炭素です。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、低品質の繊維を製造できます。炭素は、熱処理プロセスによって、高弾性率または高強度炭素としてさらに強化できます。 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、または820,000 psi）を示し、2500～3000℃で加熱された炭素繊維（黒鉛化）はより高い弾性係数（531 GPa、または77,000,000 psi）を示します。     

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• 炭素繊維の製造
• 炭素繊維の製造方法
• 「カーボンファイバー - 最初の 5 年間」。Flight International。1971 年 9 月 9 日。p. 406。2012 年 2 月 4 日時点のオリジナルよりアーカイブ。