炭素繊維はどのように作られていますか?

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グラファイト繊維とも呼ばれる炭素繊維は、主成分が炭素であるポリマーの直径 5 ~ 10 ミクロンの非常に細いフィラメントで構成される合成繊維です。この細いフィラメントを何千本も織り、加工することで炭素繊維が得られます。これらのフィラメントは引張強度が高いため、太さの割には非常に丈夫です。カーボン ファイバーの 1 つの形態であるカーボン ナノチューブは、製造可能な最強の素材と考えられています。一般に、炭素繊維はスチールに似た特性を持ちますが、はるかに軽量で、密度は木材やプラスチックに似ています。

炭素繊維には、建設、航空宇宙技術、高性能車両、さまざまなエンジニアリング用途、スポーツ用品、楽器など、複数の用途があります。

炭素繊維には、風力タービン ブレードの製造など、さまざまなエネルギー関連の用途があります。また、天然ガス貯蔵システムや車両用蓄電器にも使用されています。航空業界では、この材料は商用航空機と軍用航空機の両方、および無人航空機で使用されています。また、深海の石油探査と開発のためのプラットフォームとパイプの製造にも使用されます。

人の髪の毛(直径50μm)に次ぐ直径6μmの炭素繊維。
人の髪の毛(直径50μm)に次ぐ直径6μmの炭素繊維。

炭素繊維を構成するフィラメントは、有機ポリマーで構成されています。これは、モノマーと呼ばれる同じ分子が繰り返し結合することによって生成される炭素化合物の長い鎖です。ほとんどの炭素繊維、約 90% はポリアクリロニトリル (PAN) から作られています。このポリマーは、次の図に示す反応で、アクリロニトリルまたはプロピレンニトリル (C 3 H 3 N) から生成されます。

ポリアクリロニトリル中のポリアクリロニトリル重合反応。
ポリアクリロニトリル中のポリアクリロニトリル重合反応。

素材の製造プロセスの特定の条件により、炭素繊維の特定の品質が得られます。これらの条件のいくつかは、使用される原材料、プロセスの温度 (いくつかの段階は高温のオーブンで実行されます)、またはそれらが製造される雰囲気 (プロセスの一部は酸素の不在下で行われます) です。製造プロセスはメーカー独自のものであるため、プロセスのさまざまな側面は​​企業秘密です。最も効率的な弾性係数を備えた最高級の炭素繊維は、航空宇宙産業などの最も要求の厳しい用途で使用されています。

炭素繊維の製造工程

炭素繊維の製造は、化学的プロセスと機械的プロセスを組み合わせたものです。炭素繊維の前駆体原料は、細いフィラメントに製造され、嫌気性 (無酸素) 雰囲気で高温に加熱されます。高温は、炭素ではないすべての原子の材料の追放を引き起こします。このように、炭化プロセスにより、元のフィラメントが絡み合った生成物である、主に長鎖の炭素原子で構成される繊維が生成されます。次に、これらの繊維を他の材料と織ったりブレンドしたりして、別の種類の繊維を製造したり、さまざまな形状やサイズに成形したりできます。以下に、炭素繊維の製造に関わる一連のプロセスを見てみましょう。

。ポリアクリロニトリルは他の成分と混合され、洗浄後に広がる繊維に紡がれます。

安定化。繊維は、化合物を安定化させる化学プロセスを受けます。

炭化。安定化された繊維は、嫌気性雰囲気で、摂氏 1,000 ~ 2,500 度の非常に高い温度で長時間加熱されます。これが、高凝集結合で炭素の結晶化が生成される方法です。

表面処理。繊維の表面は酸化され、その後の編組で繊維間の結合を改善します。

。繊維は処理され、機械に装填されたボビンに巻き付けられ、異なる太さと機械的特性の繊維に撚られます。これらの繊維は、生地を織ったり、熱、圧力、または真空を使用するプロセスで熱可塑性ポリマーなどの他の材料と組み合わせて、特定の形式や特性を持つ部品を形成するために使用できます。

カーボンナノチューブは、炭化プロセスで特別なオーブンでレーザービームを使用して、標準の炭素繊維とは異なるプロセスを使用して作られています。ナノチューブは、その前駆体の 20 倍の抵抗に達することができます。

一連のプロセスを完了すると、炭素繊維が得られ、それぞれが何千もの炭素フィラメントで構成されます。各繊維のフィラメント数は 1,000 から 24,000 の間で変化する可能性があり、これはそれぞれの場合に指定された製造特性です。

このようにして生成された炭素繊維の構造は、六角形のパターンを持つ結晶構造を持つ炭素原子の重なり合ったシートに展開するグラファイトの構造に似ています。グラファイトとは異なり、炭素繊維は結晶質ではなく非晶質材料です。炭素原子は交差するシート状に配置されており、この繊維に並外れた機械的耐性を与えています。

炭素繊維の製造プロセスには、多くのリスクと課題が伴います。一部のアプリケーションでは、製造コストが手頃ではありません。たとえば、それは発展途上の技術ですが、現在、自動車産業の法外なコストにより、炭素繊維の使用は高性能および高級車に制限されています。

表面処理プロセスは、欠陥繊維につながる欠陥の生成を避けるために慎重に調整する必要があります。製品の品質を確保するには、厳密なプロセス管理が必要です。次に、これらのプロセスは健康と安全の問題に関連しており、呼吸器および表皮の状態を引き起こす可能性があります。炭素繊維は電気伝導体であるため、電気機器でアークや短絡が発生し、結果としてリスクが生じる可能性があります。

発展途上の技術

炭素繊維技術は進化を続けており、その用途と応用の可能性は多様化・拡大しています。マサチューセッツ工科大学 (MIT) では、炭素繊維の生産に関連するいくつかの研究が進められており、業界の需要を満たす新しい製造技術と設計技術の創出が期待されています。

MIT の機械工学准教授で、ナノチューブのパイオニアである John Hart は、学生と協力して、3 プリンターで使用される新しい材料の発見など、製造技術の変革に取り組んでいます。ハートは生徒たちに、既成概念にとらわれずに考えて、新しい材料で機能する 3D プリンターを想像するように指示しました。その結果、溶融ガラス、アイスクリーム、炭素繊維複合材を印刷したプロトタイプが完成しました。学生チームはまた、ポリマーの 大面積の平行押出を処理できる機械 や、印刷プロセスの現場での光学スキャンを行う機械も作成しました。

John Hart は、MIT の化学准教授である Mircea Dinca と協力して、Automobili Lamborghini との共同プロジェクトに取り組みました。いつの日か、車体全体をバッテリー システムとして使用できるようにするだけでなく、より強く軽量な構造、より薄い塗料、より強力な触媒コンバーターを製造できる新しい複合材料と炭素繊維の開発の可能性を調査しました。車載システムでの転送。

Automobili Lamborghini との共同プロジェクトで、マサチューセッツ工科大学の John Hart と Mircea Dinca によって開発された新しい炭素繊維車のデザイン。
Automobili Lamborghini との共同プロジェクトで、マサチューセッツ工科大学の John Hart と Mircea Dinca によって開発された新しい炭素繊維車のデザイン。

このような驚くべき進歩の見通しにより、炭素繊維市場が 2019 年の 47 億ドルから 2029 年には 133 億ドルに成長すると予測されているのも不思議ではありません。

ソース

  • マコーネル、ヴィッキー。炭素繊維の製造コンポジットワールド、2008年。
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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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