炭素繊維の最初の使用は、エジソンが 1879 年にランプに炭素フィラメントを使用する特許を取得したことと一致します。 しかし、実際に最初に使用されたのは 1950 年代後半です。 航空機および宇宙産業のニーズは、これにおいて最も重要な要因となっています。 最初の成功した商用アプリケーションは、イギリスのファーンバラにあるロイヤル エアクラフト エスタブリッシュメントのウィリアム ワットと彼のチームによって実行されました。
炭素繊維の本当の歴史は 1960 年代初頭に始まり、炭素繊維とその複合材の使用は、その高性能のために徐々に増加しました。
カーボン構造とグラファイト構造はどちらも、主要な構成要素として炭素元素で構成されています。 繊維の定義によると、炭素繊維は、その構造に少なくとも 90% の炭素を含む繊維です。 さまざまな形態と特性を持つ炭素繊維は、さまざまな方法で前駆体と呼ばれるさまざまな原材料を処理することによって生成されます。
前駆体に期待されることは、炭素繊維構造への容易な変換を確保するために、含まれる炭素元素の量を可能な限り多くする必要があるということです。 主要な材料は、炭素繊維の生産形態、構造、特性、および最終用途において非常に重要な要素です。
炭素繊維の分類
モジュール別:
- 超高弾性タイプ（UHM）： 弾性率が 500 Gpa を超える炭素繊維です。 その一例が、ユニオン・カーバイドの P120 タイプ (820 Gpa) です。 このファイバは、メズフェーズ ピッチ ベースです。
- 高弾性タイプ（HM）： 弾性率が 300 ～ 500 Gpa、強度/弾性率比が 5 ～ 7 10-3 の炭素繊維がこのグループに含まれます。 東レの PAN ベースの M50 モデル (500 Gpa) は、このグループの良い例です。
- 中間モジュール (IM): このグループには、弾性率が最大 300 Gpa で、強度/弾性率比が約 10-2 の炭素繊維が含まれます。 一例は、東レのPANベースのM30（294 Gpa）です。
- 低弾性率 (LM): 弾性率が 100 Gpa 未満の炭素繊維は、このグループに分類されます。 等方性構造を有するこれらの繊維は、一般に強度特性が低い。
強さによると：
- 超高強度 (UHS): 強度が 5 Gpa を超え、強度/硬度比が 2 – 3.10-2 の炭素繊維がこのグループに含まれます。 例として、東レの PAN ベースの T1000 モデル (7.06 Gpa) があります。
- 高強度 (HS): 強度が 3 Gpa を超え、強度/硬度比が 1.5 ～ 2.10-2 の炭素繊維がこのグループに含まれます。 Hercules の PAN ベースの AS-6 モデル (4.14 Gpa) は、このグループの例です。
最終熱処理によると：
- 仕上げ温度が 2000 OC を超える炭素繊維: 高弾性タイプがこのグループに含まれます。
- 仕上げ温度1500℃前後の炭素繊維：高強度タイプがこのグループに含まれます。
- 仕上げ温度が 1000 OC までの炭素繊維: このグループには、弾性率と強度の低いタイプが含まれます。
炭素繊維の製造における最も重要な前駆体材料は、ポリアクリロニトリル (PAN)、セルロース繊維 (ビスコース - レーヨン、綿)、およびピッチなどの構造です。 1960 年から 1980 年にかけて、前駆体に応じたさまざまな炭素繊維の製造可能性に関するさまざまな特許が米国で取得されました。 以下に説明するように、前駆体繊維の種類に応じて生産形態を分けるのが最も適切です。
PAN系炭素繊維の製造
今日のハイテク炭素繊維は、望ましい分子配向と結晶化度を備えた芳香族ポリマーであり、多くの場合、窒素も含んでいます。 PAN ベースの炭素繊維は、他の前駆体よりもはるかに商業的な注目を集めています。 PAN から炭素繊維を製造するには、主に XNUMX つのステップがあります。
- 200～300℃で酸化安定。
- 1000OCで炭化（1500OCまで可能。
- 繊維の種類に応じて、1500 ～ 3000 OC で黒鉛化します。
第 200 段階では、PAN 前駆体は緊張状態に保たれ、300 ～ 150 ℃ で酸化されます。 このプロセスは、PAN を非プラスチック環状化合物に変換します。 ワットとジョンソンは、このプロセスに 400 ～ XNUMX OC の範囲を推奨しました。 この構造の形成は、XNUMX つのステップで行われます。 これらのステップは、環化と脱水素化です。
この XNUMX つのステップの間に、温度も徐々に上昇します。 安定化が完了するまで数時間待つことをお勧めします。 繊維をぴんと張った状態に保つ理由は、酸化中に繊維が緩んで配向が失われるのを防ぐためです。 製造方法により、延伸時の伸び量が異なる場合があります。
最近の特許では、PAN 前駆体の迅速な安定化が提唱されています。 この特許では、第 10 段階は、材料から最大の可塑性が得られる温度 (50 ～ 0.01% の収縮) で行われます。 第 0.2 段階は、200 ～ 300 g/デニールの張力で 15 ～ 60 °C で行われます。 総施術時間はXNUMX～XNUMX分（酸素雰囲気中）です。
酸化プロセスにより、繊維は高温でのプロセスに対する耐性を獲得します。 酸化後、繊維は 1000 °C 以上の温度で張力をかけずに炭化されます。 炭化プロセス中に、非炭素構造 (CHN、NH3、H2) が除去され、最初の PAN の約半分の重量の構造が得られます。
炭化は 400 つの段階で構成されます。 脱窒素は 600 ～ 700 OC で行われ、窒素除去は 900 OC で続き、1300 OC で最大レベルに達します。 XNUMX OC で、ファイバー内の窒素は最小レベルになります。
炭化後に得られた繊維は、非炭素構造をほとんど含まず、グラファイト様構造が形成された。 2500 OC (グラファイト化) を超える熱処理では、配向と結晶化度が繊維軸方向に増加します。
レーヨン系炭素繊維の製造
レーヨンから炭素繊維を製造するには、XNUMX つのステップがあります。
- 安定化 (25 ～ 400 OC)
- 炭化（400～700OC）
- 黒鉛化 (700 – 2700 OC)
安定化は基本的に酸化プロセスであり、ここでも XNUMX つのステップで構成されます。
- 水の物理的排出 (25 ～ 150 OC)
- セルロース構造の脱水 (150 – 240 OC)
- 環状結合の基本的な切断、エーテル C – O 結合の代わりに C – C 結合の形成、および芳香族化 (240 – 400 OC)
メソフェーズピッチベースの炭素繊維の製造
炭化水素混合物の熱力学的性質が知られている場合、さまざまな炭素繊維を生成できる可能性があります。 ピッチの一部の成分からの炭素繊維の製造も、この論理の枠組みの中で行われます。 適切な溶媒系を使用して、炭素繊維製造用のピッチを調製することが可能です。 高分子量芳香族ピッチは、一般に本来異方性である。 これらに 中間相 と呼ばれます。 引力の後、メソフェーズ分子は配向され、繊維軸に平行になり、熱力学的に堅牢な構造が得られます。 実際に変形する前に、ピッチは描画されるファイバーになります。 この生産の一般的なプロセスは、それぞれ次のとおりです。
- 市販ピッチ ⇒ メソフェーズ重合
- メルトシューティング
- 空気中での安定化
- 炭化
- 黒鉛化
ピッチ前駆体は、350℃での熱処理によりメソフェーズピッチに変わります。 この構造には、等方性構造と異方性構造の両方が含まれます。 抽出後、等方性部分は軟化点より低い温度で注入可能になります。 その後、繊維は1000℃で炭化されます。 この方法の利点は、安定化および黒鉛化段階で延伸が必要ないことです。
炭素繊維の構造は、X線および電子顕微鏡法によって明らかにされました。 グラファイトとは異なり、炭素繊維は規則的な XNUMX 次元構造を持っていません。 一般に、PAN繊維の強度が高いということは、製造される炭素繊維も耐久性がなければならないことを意味します。 PAN前駆体の強度は、酸化プロセスの初期段階で大幅に低下し、伸び率は最初に増加し、次に減少します。 炭素化時の熱処理温度の上昇に伴い、配向性が大幅に向上します。 炭化後、繊維のヤング率が大幅に増加します。 繊維のシェルとコアの構造も、強度特性に大きな影響を与えます。 適度な安定化が適用されると、張力下での炭化により弾性率と強度が大幅に増加します。 高弾性率繊維では、結晶は繊維方向に層状に配置する必要があります。
炭素繊維の一般的な使用分野は次のとおりです。
- 航空機・宇宙産業
- 自動車
- スポーツ用品
- ナビゲーション
- 一般的なエンジニアリング アプリケーション
航空宇宙産業で炭素繊維が使用される主な理由は次のとおりです。
- 重量を考慮すると、炭素繊維の比強度は金属の約 5 倍、破断強度は約 XNUMX 倍です。
- 温度とともに膨張する傾向は非常に低いです。
- 鋼やアルミニウムよりも優れた疲労強度を持っています。
- それらは、パフォーマンス/コスト比の点で非常に有利です。
適切な強度と剛性を備えた炭素繊維は、航空宇宙産業や航空機産業にとって不可欠な素材になります。 炭素繊維で作られた部品は、代替金属で作られた部品よりも約 30% 軽量です。
炭素繊維の最大の利点は、剛性と非膨張性です。 さらに、炭素繊維複合材は非常に優れた断熱材として使用できます。 このようなアプリケーションの例として、飛行機やスペースシャトルの点火セクションの絶縁があります。
スポーツ産業では、炭素繊維は、テニス ラケット、ホッケースティック、スキー、釣り竿、レーシング カー、自転車、レーシング エンジンなど、幅広い用途に使用されています。 これらの用途における最大のメリットは、強度と軽さです。
炭素繊維の耐薬品性も良好なレベルです。 これにより、繊維に良好な耐食性が与えられます。 そのため、炭素繊維は化学薬品タンクや燃料タンクの構造にも使用されています。
炭素繊維の生物学的適合性は、他のどの素材よりも優れています。 炭素繊維は、軟部組織、血液、骨との親和性が高いです。 そのため、炭素複合材は人工装具や骨移植に使用されています。
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