ここでは、炭素繊維材料の包括的な技術的詳細を説明します。-その原子構造、製造プロセス、機械的特性、主な用途をカバーしています。
炭素繊維構造アーキテクチャ。出典:VectorMine / Getty Images
1. 炭素繊維とは何ですか?
カーボンファイバー(またはグラファイトファイバー) は、直径 5 ～ 10 マイクロメートルの炭素原子の細い鎖で構成されています。高性能カーボンファイバーは重量の少なくとも 90% が炭素であり、ファイバーの長軸に平行に並んだ微細な結晶内で結合しています。
重要な構造的事実:グラファイト層の方向性の整列により、カーボン ファイバーは長手方向の強度対重量比が非常に高く、スチールやアルミニウムなどの従来の金属を上回る性能を発揮します。{0}{1}
2. 分子構造と分類
炭素繊維の強度は、$sp^2$ ハイブリッド化した炭素原子が二次元の六角形の平面シート (グラフェンと同様) を形成することに由来します。-。これらのシートは折り畳まれて微結晶構造を形成します。
前駆体材料の種類
炭素繊維は主に、その作成に使用される前駆体材料によって分類されます。
PAN- ベース (ポリアクリロニトリル):商業生産の90%以上を占めています。高い引張強度と優れた構造信頼性を実現します。
ピッチ-ベース:石油またはコールタールピッチから製造されます。非常に高い剛性 (引張弾性率) と熱伝導率が得られますが、一般に引張強度は低くなります。
レーヨン-ベース:歴史的には重要ですが、炭素収率が低い (約 20 ～ 25%) ため、現在ではほとんど使用されていません。
3. 製造工程
液体前駆体ポリマーを構造用炭素繊維に変換するには、次の 5 つの主要な段階が必要です。
1.スピニング:前駆体形成。
ポリアクリロニトリル (PAN) 粉末を溶媒と混合し、紡糸して連続フィラメント (トウ) にし、内部のポリマー鎖を整列させるために引き伸ばします。
2.安定化:熱架橋-（200 度 – 300 度）。
前駆体繊維は空気中で加熱されます。酸素結合は、直線状の分子鎖をはしご-のような環構造に変換し、その後のステップでの溶融を防ぎます。
3.炭化：非酸化加熱（1,000度～1,500度）。
繊維は不活性雰囲気（窒素）中で加熱されます。非-炭素原子（水素、窒素、酸素）が追い出され、しっかりと結合した炭素環が残ります。
4.表面処理:密着性の向上。
繊維表面は電解浴によって酸化され、化学的固定部位が形成され、樹脂マトリックスとの強力な機械的結合が確保されます。
5. サイズ:保護コーティング。
保護ポリマー コーティング (サイジング) は、製織またはエポキシの含浸前に、取り扱い中のストランドの損傷を防ぐために適用されます。
4. 機械的特性の比較
構造性能を評価するには、通常、炭素繊維をエポキシ マトリックスに埋め込んで形成します。炭素繊維強化ポリマー (CFRP).
| 財産 | 標準カーボンファイバー (PAN) | 構造用鋼（A36） | アルミニウム合金（7075-T6） |
| 密度 (g/cm3) | 1.75 - 1.80 | 7.85 | 2.81 |
| 引張強さ(GPa) | 3.5 - 4.9 | 0.40 | 0.57 |
| 引張弾性率 (GPa) | 230 - 300 | 200 | 71 |
| 比強度(kN・m/kg) | ~2,400 | ~50 | ~200 |
5. 主な利点と制限事項
利点
超軽量-:密度はスチールの約 1/5、アルミニウムの 2/3 です。
高い耐食性:ほとんどの酸、塩基、有機溶媒に対して化学的に不活性です。
低い熱膨張:-熱膨張係数（CTE）がゼロに近いため、精密な光学および宇宙用途に最適です。
高疲労寿命:数百万回の繰り返し荷重の下でも構造の完全性を維持します。
制限事項
異方性：機械的強度は主に繊維の長さに沿って存在します。軸外強度を高めるには、多方向の織りまたは積層が必要です。
脆性破壊:-事前の塑性変形を伴うことなく、壊滅的な破壊が起こるまでほぼ線形の弾性応答を示します。
高コストとリサイクルの複雑さ:エネルギー集約的な製造と-消費後の熱硬化性樹脂マトリックスのリサイクルは困難です。-