カーボンファイバーの説明:特性、用途、3D プリント用途

カーボンファイバー、別名グラファイトファイバーまたはカーボングラファイトは、いくつかの分野で根強い人気を誇っていますが、それには十分な理由があります。ただし、イントロですべてを明かすわけにはいきません。この素材が何であるか、さまざまな種類、そして何に使用されるかを理解するために読み続けてください。

カーボンファイバーとは何ですか?

カーボンファイバーは繊維を織って作られた織物マットで、複合プラスチックと繊維強化プラスチックの両方に分類されます。 90% がポリアクリロニトリル (炭素前駆体) で、10% がピッチやセルロースなどの他の前駆体です。この材料は炭化、酸化、黒鉛化によって作られます。まず必要な形状に切断し、樹脂を含浸させてから、前述のいずれかの方法で加工します。硬化すると、驚くべき強度対重量比を備えた、軽量で信じられないほど強い材料が得られます。 

このタイプのファイバーの高い耐熱性は、ジョセフ・ウィルソン・スワン卿が 1860 年に白熱電球にこのファイバーを使用するきっかけとなったものでした。当時、カーボンファイバーのフィラメントは現在ほど強力ではなかったため、タングステンが登場すると、電球製造部門のほとんどがこのファイバーに引き継がれました。カーボンファイバーが実際に何の用途にも使用されないまま 50 年以上が経過しましたが、1960 年代により強力なバージョンが登場し、脆いという問題にもかかわらず、ロールスロイスはジェット エンジンにカーボンファイバーを採用しました。

現在製造に使用されている炭素繊維は、引張強度が約 4,000 MPa、弾性率が 400 GPa と高いため、電球だけでなくさまざまなものに役立ちます。クリープ、疲労、化学物質、腐食に対する耐性があり、不燃性で毒性もありません。適切に処理すれば、導電性を得ることができます。

この材料は悪名高いほど高価です。鋼鉄よりも軽くて強いのですが、コストが高いため、メーカーは絶対に必要な場合以外は使用を控えています（特別な日のために取っておく高価な香水のようなものです）。しかし現在、カーボンファイバーの価格は下がり、その使用量は増加しています。カーボンファイバーが注目を集める仕事を待つ時代は終わりました。現在では工具や固定具、バネやワイヤーに加工され、タイヤの補強にも使用されています。

カーボンファイバーの別名は何ですか?

炭素繊維は、グラファイト繊維またはカーボングラファイトとも呼ばれます。複合プラスチックまたは繊維強化プラスチックという総称で呼ばれることもあります。複合材という用語は、マトリックスと強化材を備えた材料を表すために使用されます。炭素繊維の場合、繊維は強化材であり、樹脂はマトリックスです。繊維強化プラスチックは、炭素繊維だけでなく、ガラス繊維とアラミドの複合材料を表すために使用されます。 

カーボンファイバーはいつ発明されましたか?

炭素繊維は、非常に高い耐熱性を持っていたため、1860 年にサー・ジョセフ・ウィルソン・スワンによって白熱電球に使用するために初めて作成されました。しかし、当時の炭素繊維フィラメントはそれほど強度がありませんでした。そのため、タングステンが電球に使用され始めたとき、炭素繊維は 50 年以上用途がありませんでした。その後、1960 年代には、ロールスロイス社によってジェット エンジンに使用するために、より強力な炭素繊維が製造されるようになりました。しかし、炭素繊維は脆いという性質があるため、長い間その用途は限られていました。それ以来、炭素繊維の生産ははるかに効率的になりました。現在のカーボンファイバーは、引張強度が 4,000 MPa の範囲にあり、弾性率が 400 GPa であるため、さらに多くの用途が開かれています。

カーボンファイバーは何でできていますか?

炭素前駆体であるポリアクリロニトリルの酸化、炭化、黒鉛化により、炭素繊維材料の 90% が構成されます。使用される前駆体の残りの 10% はピッチまたはセルロースのいずれかです。 

カーボンファイバーの特性とは何ですか? 

カーボンファイバーの非機械的特性は次のとおりです。

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導電性

耐食性

不燃性

無毒

カーボンファイバーの機械的特性とは何ですか?

カーボンファイバーの機械的特性は次のとおりです。

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軽量

高強度

耐クリープ性

疲労耐性

高弾性率

脆性

繊維が他の繊維の上を通過したり下を通過したりする回数はクリンプとして知られており、クリンプが高いほど、一般にその安定性が高くなります。しかし、クリンプの高いカーボンファイバーは、複雑な形状や形状を形成するための柔軟性 (ドレープ性と呼ばれる) があまり高くないことを意味します。

カーボンファイバーの強度はどれくらいですか?

カーボンファイバーは標準、中、高、超高弾性率の品質に分類され、引張強度の範囲は 3.55 GPa です。

カーボンファイバーは重いですか?

いいえ、カーボンファイバーは重くありません。カーボンファイバーは非常に軽量であり、これは最も求められる 2 つの特性のうちの 1 つであり、もう 1 つは強度です。カーボンファイバーの重量は、1cm2 あたりのファイバーの数と、カーボンファイバーを結合するために使用される樹脂によって異なります。一例として、樹脂を含まないカーボンファイバーの平綾織りの重さは 210 g/m2、厚さはわずか 0.28 mm です。比較のために、スチールの厚さは 0.5 mm で重量は 4 kg/m2 です。

カーボンファイバーの化学的性質は何ですか?

カーボンファイバーの化学的特性は次のとおりです。

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耐薬品性

無毒

不燃性

カーボンファイバーのさまざまな高度な用途とは何ですか?

カーボンファイバーは価格が高いため、現在は高性能用途でのみ使用されており、そのうちのいくつかを以下に挙げます。

1.航空宇宙産業

カーボンファイバーは軽量であるため、航空機の胴体、尾翼、ノーズコーン、ローターブレードに適しています。これらの部品をこの材料で製造すると、航空機の重量を最大 20% 削減でき、数百万ドルの燃料を節約できます。 

2.スポーツ用品

より軽く、より強く、より速く動くテニスラケット、スキー板、スノーボード、自転車、ゴルフクラブの製造に使用されています。カーボンファイバーのスポーツ用品には、高額なお金を払う覚悟が必要です。

3.医療機器

X 線装置とインプラントは、主に X 線透過性がある (X 線を容易に通過できる) ため、カーボンファイバーで作られています。耐摩耗性もあり、人間の骨と同様の硬さを持っています。一部のインプラントで使用されている金属とは異なり、カーボンファイバーは脆く、砕ける可能性があります。

4.エネルギー貯蔵システム

炭素繊維蓄電池システムの計画が進行中です。これにより、電気自動車の重量が大幅に軽減される可能性があります。

5.土木工学

炭素繊維は、重量よりも強度が重要な橋やコンクリート構造物でますます普及しています。鋼よりも最大 10 倍の強度があるため、推奨されていますが、私たちが確立しているように、使用するとはるかに高価になります。

6.海洋技術

カーボンファイバーの価格が下落しているため、ヨットや小型ボートではグラスファイバーの使用がカーボンファイバーに置き換えられ始めています。 

7.軍事および防衛技術

ドローン、ヘリコプター、ジェット機、輸送機はすべてこの材料を使用して製造できます。ヘルメットのデザインは年々複雑化しており、そのためヘルメットも重くなっています。カーボンファイバーは窮地を救うために登場しました（ただし、損傷の検出が難しいという問題はまだあります）。

ただし、欠点の 1 つは、「目に見えない衝撃ダメージ」と呼ばれるものです。基本的に、この素​​材の損傷を肉眼で見つけるのは難しいため、欠陥を確認するには広範なトレーニングとテストが必要です。この要因は上記の業界のほとんどに影響しますが、特に航空宇宙、エネルギー、海洋、軍事に影響します。

カーボンファイバーは 3D プリントとどのように併用できますか?

カーボンファイバーは3Dプリントに対応しています。連続繊維層として使用することも、FDM (溶融堆積モデリング) プリンターのフィラメント内の短いストランドとして印刷することもできます。連続繊維で印刷する場合、プリンタには 2 つのプリントヘッドが必要になります。1 つはプラスチック フィラメント用、もう 1 つはカーボン ファイバー用です。チョップドストランドをフィラメント内に埋め込むことを選択すると、破断することなく印刷パーツの強度と剛性を向上させることができます。この材料を 3D プリントで使用すると、3D プリントで使用される一般的な PLA や ABS よりもはるかに強度が高いため、構造目的に使用できる部品を作成できることになります。カーボンファイバーを使用すると、部品の強度をアルミニウムなどの材料と比較できます。

航空宇宙産業では、3D プリントされたカーボンファイバー部品がある程度使用されています。安全規制のため、新しい技術や材料は航空宇宙で使用される前に広範なテストと認定を受ける必要がありますが、現時点では、3D プリントされたカーボンファイバーで作られたブラケットや特殊工具の部品を見つけることは珍しくありません。企業は、膨大なリードタイムに対処する必要もありません。

カーボンファイバーに関するよくある質問

航空宇宙産業における 3D プリントでは、カーボンファイバーを使用してさまざまな部品をどのように作成していますか?

現在、航空宇宙産業におけるカーボンファイバーを使用した 3D プリントは限られています。新しい材料やプロセスを使用するには、航空宇宙で使用する前に広範な認定が必要です。しかし、多くの航空宇宙企業は、ブラケットや特殊工具に 3D プリントされたカーボンファイバー部品を使用しています。 3D プリンティングは、そうでなければ長いリードタイムが必要となる限定生産部品の作成に使用されています。多くの修理やメンテナンス作業には特殊な工具が必要であり、コストが高く、納期も長くなります。 3D プリントされたカーボンファイバーにより、リードタイムとコストが削減されます。

詳細については、航空宇宙における 3D プリントに関する完全ガイドをご覧ください。

他の 3D プリント素材と比較したカーボンファイバーの利点は何ですか?

カーボンファイバープリント部品の利点は、他の 3D プリント材料と比較して強度が向上していることです。ほとんどの 3D プリント部品は PLA または ABS で作られており、比較的弱いため、部品を構造目的に使用することはできません。ただし、3D プリントされたカーボンファイバー素材を使用すると、強度はアルミニウムに匹敵します。これにより、3D プリント部品の使用に多くの応用が可能になります。

カーボンファイバーはスチールより強いですか?

はい、それぞれの強度対重量比を比較すると、カーボンファイバーはスチールよりも強力です。スチールとカーボンファイバーの弾性率はどちらも 200 GPa ですが、スチールはカーボンファイバーの 5 倍の重さです。この高い強度対重量比が、カーボンファイバーが多くの用途で優先される理由です。

カーボンファイバーはアルミニウムより強いですか?

はい、カーボンファイバーはアルミニウムよりもはるかに強いです。アルミニウムは最大 570 MPa に達することができますが、超高弾性炭素繊維は 5.5 GPa を超える引張強度に達することができます。

カーボンファイバーとカーボンファイバー 3D フィラメントの違いは何ですか?

従来のカーボンファイバーと 3D プリントされたカーボンファイバーはどちらも強度を高め、軽量ですが、その適用方法は大きく異なります。伝統的に、カーボンファイバーは樹脂を塗布して硬化させた繊維を織ったマットです。従来のカーボンファイバーは通常、より大きなパネルや管状セクションに作られますが、ブラケットに作ることもできます。 3D プリントされたカーボンファイバーは、マイクロ ストランドに切り刻まれ、フィラメントに追加され、そこから通常は複雑な形状の部品にプリントされるか、3D プリントされた部品の個別の層に単一の連続ストランドとしてプリントされます。

カット・デ・ナウム

Kat de Nagam は、英国出身のライター、著者、編集者、コンテンツ スペシャリストであり、20 年以上の執筆経験があります。 Kat はさまざまな製造組織や技術組織で執筆した経験があり、エンジニアリングの世界が大好きです。執筆活動の傍ら、キャットはほぼ 10 年間パラリーガルとして活動し、そのうち 7 年間は船舶金融業務に携わっていました。彼女は印刷物とオンラインの両方で多くの出版物に寄稿しています。キャットはキングストン大学で英文学と哲学の学士号を取得し、クリエイティブライティングの修士号を取得しています。

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