炭素繊維の特徴と応用・開発
1.炭素繊維の特徴と性質
炭素繊維材料 黒色、硬質、高強度、軽量など機械的特性に優れた新素材です。比重は鋼の1/4以下です。炭素繊維樹脂複合材料の引張強度は通常35000MPaを超え、鋼の7.9倍です。引張弾性率は230000MPa～430000MPaです。したがって、CFRPの比強度、つまり材料の強度と密度の比は20000MPa/(g/cm3)を超えますが、A3鋼の比強度は590MPa/(g/cm3)です。弾性率も鋼よりも高くなります。材料の比強度が高いほど部品の自重は小さくなり、比弾性率が高くなるほど部品の剛性は高くなります。この意味で、工学における炭素繊維の幅広い応用の可能性が示されています。多くの新しい複合材料の優れた特性に注目してください。 ポリマー複合ガラス繊維素材、金属系複合材料、セラミックス系複合材料など、多くの専門家は複合材料が鉄の時代から材料応用の時代に入るだろうと予測しています。
PAN カーボンファイバーとグラスファイバー複合材料:
(1) 機械的特性、金属よりも密度が低く、軽量。高弾性率、高剛性、高強度、高疲労強度、優れた耐摩耗性、潤滑性。優れた振動減衰。
(2) 小さな耐熱性、安定性、熱膨張係数、良好な寸法安定性、熱伝導性。不活性ガス中での優れた耐熱性。
(3) 導電性と電磁波シールド性、導電性と電磁波シールド性を有する各種導電性材料に属する。（４）Ｘ線透過率に優れ、目的に応じて適切な構造を設計できる。
2007年には日本の主要な炭素繊維サプライヤー東レ（株）は日産自動車などと協力し、シャシーなど自動車の主要部品を大幅に軽量化できる炭素繊維を使った最先端素材を開発した。この新技術により、車両の総重量が 10% 削減され、燃料消費量が 4% ～ 5% 改善されました。また、耐衝撃性も従来の1.5倍となっています。メーカーは3年以内にこの新技術を商用車に導入する計画だ。この新技術は、世界中で温室効果ガス削減に向けた燃料費規制の強化を背景に、鉄鋼中心の自動車原材料の切り替えを加速することを約束する。
2.炭素繊維の応用
炭素繊維とは、炭素含有率が90％以上の繊維の総称であり、その炭素含有量が高いことから名づけられました。炭素繊維は、炭素単体の比重の軽さ、耐熱性、耐熱衝撃性、耐薬品性、導電性などの優れた特性を併せ持ち、繊維の絡み合いや優れた機械的特性を備えています。特に比強度、比弾性率が高く、酸素遮断条件下では2000℃の高温にも耐えることができます。重要な工業用グラスファイバー原料です複合材料、アブレーション材料、断熱材料の強化に適しています。1960年代初頭に開発された新素材であり、現代社会に欠かせない新素材となっています。
レジャー製品の中で、PAN 炭素繊維の最初の用途は釣り竿です。現在、世界の炭素繊維釣竿の年間生産量は約1200万本、使用量は約1200トン。ゴルフクラブへのカーボンファイバーの応用は 1972 年に始まりました。現在、カーボンファイバーの年間生産量は世界中のゴルフクラブのボトルは約4,000万本、炭素繊維の量は2,000トンに相当します。テニスラケットへの応用は1974年に始まった。現在、昨年世界では約450万本の炭素繊維ラケットが生産され、炭素繊維の使用には約500トンが必要である。とりわけ、炭素繊維は、スキー、スノーボート、スキースティック、野球のバット、ロードゲーム、マリンスポーツにも広く使用されています。
炭素繊維は軽量、耐疲労性、耐食性などの特性が評価され、航空宇宙産業で広く使用されています。宇宙飛行の分野では、高弾性炭素繊維はその軽さ（剛性）と熱伝導率の寸法安定性から人工衛星に使用されています。近年ではイリジウムなどの通信衛星にも使用されています。
成形材料は主に熱可塑性樹脂に次のような形で混合されます。グラスファイバーチョップドストランド強化、帯電防止、電磁波シールドの効果があり、家電製品、事務機器、半導体およびその関連分野で広く使用されています。
3.我が国における炭素繊維製品の生産状況
私の国における炭素繊維の生産と使用はまだ初期段階にあります。国内の炭素繊維の生産能力は、炭素繊維の総生産量の約0.4％にすぎません。高性能カーボンファイバークロス国内消費の90％以上を輸入に頼っています。PAN 前駆体の品質は常に、我が国における炭素繊維産業の大規模生産を制限するボトルネックとなってきました。また、炭素繊維は長らく戦略素材として位置づけられてきたため、先進国は外部に対して閉ざされてきました。したがって、業界の専門家は、基礎研究の強化がイノベーションの基礎であり、国内の炭素繊維産業を発展させる根本的な方法であると信じています。
私の国は、1960 年代から 1970 年代にかけて、世界とほぼ歩調を合わせて炭素繊維の研究を開始しました。日本の東レ株式会社は30年以上の努力の末、T300レベルに近い炭素繊維製品を開発しましたが、その生産量と品質は国内の需要を満たすことができず、海外には程遠い状況です。国際先進レベルと比較して、国産炭素繊維の顕著な問題は、炭素繊維強度が低く、均一性と安定性が劣ることであり、開発レベルは先進国に比べて20〜30年近く遅れており、生産規模は小さく、技術設備が低い。遅れており、生産効率が悪い。
現在、世界のフィブラ・デ・カーボンプレトの生産能力は約35,000トンで、中国市場での年間需要は約6,500トンです。炭素繊維の大消費国です。しかし、2007年の中国の炭素繊維生産量は約200トンにとどまり、低性能製品が中心だった。産業のほとんどは輸入に依存しており、価格は非常に高価です。たとえば、標準的な T300 市場には独立した知的財産権による技術サポートが不足しており、国内企業はまだ完全な炭素繊維コア技術を習得していません。私の国の炭素繊維の品質、技術、生産規模は外国とは大きく異なります。中でも高性能炭素繊維技術は日本や欧米諸国によって独占され、ブロックされています。そのため、炭素繊維の局在化を実現するには長いプロセスがかかります。市場不足のため、中国では近年「炭素繊維熱」が起きており、多くの科学研究機関や企業が炭素繊維の研究や千トン規模の工業化プロジェクトを開始している。
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投稿日時: 2022 年 10 月 27 日