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炭素繊維はどのように作られていますか?

炭素繊維はどのように作られていますか?

この丈夫で軽量な素材の製造、使用、そして未来

グラファイトファイバーまたはカーボングラファイトとも呼ばれるカーボンファイバーは、炭素元素の非常に細いストランドで構成されています。これらの繊維は引張強度が高く、サイズに対して非常に強力です。実際、炭素繊維の1つの形態であるカーボンナノチューブは、入手可能な最強の材料と見なされています。炭素繊維の用途には、建設、エンジニアリング、航空宇宙、高性能車両、スポーツ用品、楽器などがあります。エネルギーの分野では、炭素繊維は風車のブレード、天然ガスの貯蔵、輸送用の燃料電池の製造に使用されています。航空機業界では、軍用機と民間航空機の両方、および無人航空機に用途があります。石油探査では、深海掘削プラットフォームやパイプの製造に使用されます。

豆知識:炭素繊維統計

  • 炭素繊維の各ストランドは、直径5〜10ミクロンです。それがどれほど小さいかを知るために、1ミクロン(um)は0.000039インチです。蜘蛛の巣の絹の一本鎖は通常3から8ミクロンの間です。
  • 炭素繊維は、鋼の2倍の剛性と、鋼の5倍の強度(単位重量あたり)です。また、耐薬品性が高く、耐熱性が高く、熱膨張が少ないです。

原材料
炭素繊維は、炭素原子によって結合された分子の長いストリングで構成される有機ポリマーから作られています。ほとんどの炭素繊維(約90%)は、ポリアクリロニトリル(PAN)プロセスで作られています。少量(約10%)はレーヨンまたは石油ピッチプロセスから製造されます。

製造プロセスで使用されるガス、液体、およびその他の材料は、炭素繊維の特定の効果、品質、およびグレードを生み出します。炭素繊維メーカーは、製造する材料に独自の配合と原材料の組み合わせを使用しており、一般に、これらの特定の配合を企業秘密として扱います。

航空宇宙などの要求の厳しい用途では、最も効率的な弾性率(物質が弾性などの特定の特性を有する数値の程度を表すために使用される定数または係数)特性を備えた最高級の炭素繊維が使用されます。

製造プロセス
炭素繊維の作成には、化学的プロセスと機械的プロセスの両方が含まれます。前駆体として知られる原材料は、長いストランドに引き込まれ、嫌気性(無酸素)環境で高温に加熱されます。極度の熱により、燃焼するのではなく、繊維原子が非常に激しく振動するため、ほとんどすべての非炭素原子が排出されます。

炭化プロセスが完了した後、残りの繊維は、非炭素原子がほとんどまたはまったく残っていない、長くしっかりと連結された炭素原子鎖で構成されています。これらの繊維は、その後、織物に織り込まれるか、他の材料と組み合わされ、フィラメントで巻かれるか、または所望の形状およびサイズに成形されます。

次の5つのセグメントは、炭素繊維製造のPANプロセスで一般的です。

  • 紡糸。PANは他の成分と混合され、繊維に紡がれ、次に洗浄されて伸ばされます。
  • 安定化。繊維は、結合を安定させるために化学変化を受けます。
  • 炭化。安定化された繊維は非常に高温に加熱され、しっかりと結合した炭素結晶を形成します。
  • 表面の処理。繊維の表面は、結合特性を改善するために酸化されています。
  • サイジング。繊維はコーティングされ、ボビンに巻かれます。ボビンは、繊維をさまざまなサイズの糸に撚る紡績機に搭載されます。繊維は、織物に織られるのではなく、熱、圧力、または真空を使用して繊維をプラスチックポリマーと結合することにより、複合材料に形成することもできます。

カーボンナノチューブは、標準的な炭素繊維とは異なるプロセスで製造されます。ナノチューブは、その前駆体の20倍の強度があると推定されており、レーザーを使用して炭素粒子を気化させる炉で鍛造されます。

製造上の課題
炭素繊維の製造には、次のような多くの課題があります。

  • より費用効果の高い回復と修理の必要性
  • 一部の用途での持続不可能な製造コスト:たとえば、新技術が開発中であるにもかかわらず、法外なコストのために、自動車産業での炭素繊維の使用は現在、高性能で高級な車両に限定されています。
  • 表面処理プロセスは、繊維の欠陥をもたらすピットの作成を回避するために注意深く調整する必要があります。
  • 一貫した品質を確保するために必要な綿密な管理
  • 皮膚や呼吸の炎症を含む健康と安全の問題
  • 炭素繊維の強い導電性による電気機器のアーク放電と短絡

炭素繊維の未来
炭素繊維技術が進化し続けるにつれて、炭素繊維の可能性は多様化し、増加するだけです。マサチューセッツ工科大学では、炭素繊維に焦点を当てたいくつかの研究が、新たな産業需要を満たすための新しい製造技術と設計を作成するための大きな期待をすでに示しています。

ナノチューブのパイオニアであるMITの機械工学准教授であるジョンハートは、学生と協力して、商用グレードの3Dプリンターと組み合わせて使用​​する新しい材料の検討など、製造技術の変革に取り組んできました。「私は彼らに完全に軌道から外れて考えるように頼みました。これまでに作られたことのない3Dプリンターや、現在のプリンターでは印刷できない有用な素材を思いつくことができれば」とハート氏は説明します。

その結果、溶融ガラス、ソフトクリーム、および炭素繊維複合材を印刷したプロトタイプ機が完成しました。ハート氏によると、学生チームは「ポリマーの大面積平行押出」を処理し、印刷プロセスの「その場光学スキャン」を実行できるマシンも作成しました。

さらに、ハートはMITの化学の准教授であるMircea Dincaと協力して、Automobili Lamborghiniとの最近締結された3年間のコラボレーションで、いつの日か「車のボディ全体を可能にするだけでなく、新しい炭素繊維と複合材料の可能性を調査しました。バッテリーシステムとして使用されます」が、「より軽く、より強力なボディ、より効率的な触媒コンバーター、より薄いペイント、および改善されたパワートレイン熱伝達[全体]」につながります。

このような驚くべきブレークスルーが間近に迫っていることから、炭素繊維市場が2019年の47億ドルから2029年までに133億ドルに成長し、年平均成長率(CAGR)が11.0%(またはわずかに高い)を超えると予測されているのも不思議ではありません。同じ期間。

ソース

  • マコーネル、ヴィッキー。「炭素繊維の製造」。CompositeWorld。2008年12月19日
  • シャーマン、ドン。「炭素繊維を超えて:次の画期的な材料は20倍強力です。」車とドライバー。2015年3月18日
  • ランドール、ダニエル。「MITの研究者はランボルギーニと協力して未来の電気自動車を開発しています。」MITMECHE /ニュース:化学科。2017年11月16日
  • 「原材料(PAN、ピッチ、レーヨン)、繊維タイプ(バージン、リサイクル)、製品タイプ、弾性率、用途(複合、非複合)、最終用途産業(A&D、自動車、風力エネルギー)別の炭素繊維市場)、および地域-2029年までの世界予測。」MarketsandMarkets™。2019年9月

投稿時間:2021年7月28日