炭素繊維はどのように作られていますか?
強くて軽いこの素材の製造、用途、そして未来
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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、 カーボンファイバー 要素炭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、そのサイズに対して非常に強いです。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 —入手可能な最強の素材と考えられています。カーボンファイバー アプリケーション 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、楽器が含まれます。エネルギー分野では、炭素繊維は風車の羽根、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。航空機産業では、軍用機、民間航空機、無人航空機の両方に応用されています。石油探査では、深海掘削プラットフォームとパイプの製造に使用されます。
早わかり：炭素繊維の統計
- 炭素繊維の各ストランドは、直径が 5 ～ 10 ミクロンです。 1 ミクロン (um) は 0.000039 インチです。蜘蛛の糸の一本鎖は、通常 3 ～ 8 ミクロンです。
- 炭素繊維は、スチールの 2 倍の剛性とスチールの 5 倍の強度 (単位重量あたり) です。また、耐薬品性が高く、熱膨張が小さく、高温耐性があります。
原材料
炭素繊維は有機ポリマーからできており、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、グレードを生み出します。 炭素繊維メーカー 彼らが生産する材料には、独自の処方と原材料の組み合わせを使用し、一般に、これらの特定の処方を企業秘密として扱います.
最も効率的なモジュラス (物質が持つ特定の特性 (弾性など) 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は、航空宇宙などの要求の厳しい用途で使用されます。
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。極度の熱により繊維原子は燃焼するのではなく激しく振動し、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、長くしっかりと絡み合った炭素原子鎖で構成されています。これらの繊維は、続いて布に織られるか、または他の材料と組み合わされ、その後、フィラメントが巻き付けられるか、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、炭素繊維を製造するための PAN プロセスで一般的です。
- より費用対効果の高い復旧と修理の必要性
- 用途によっては持続不可能な製造コスト: たとえば、新しい技術が開発中であるにもかかわらず、法外なコストがかかるため、自動車業界での炭素繊維の使用は現在、高性能車や高級車に限定されています。
- 表面処理プロセスは、ファイバーの欠陥につながるピットの作成を避けるために慎重に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厳密な管理
- 皮膚や呼吸への刺激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ショート
- マコーネル、ヴィッキー。 ' 炭素繊維の製造 .' 複合世界 . 2008 年 12 月 19 日
- シャーマン、ドン。 ' 炭素繊維を超えて: 次の画期的な素材は 20 倍の強度です。 ' 車とドライバー。 2015 年 3 月 18 日
- ランドール、ダニエル。 MIT の研究者がランボルギーニと協力して未来の電気自動車を開発 . MITMECHE/In The News: 化学科。 2017 年 11 月 16 日
- 原材料 (PAN、ピッチ、レーヨン)、繊維の種類 (バージン、リサイクル)、製品の種類、弾性率、用途 (複合材、非複合材)、最終用途産業 (A & D、自動車、風力エネルギー) による炭素繊維市場)、および地域 - 2029 年までの世界的な予測。 MarketsandMarkets。 2019年9月
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ています。前駆体よりも 20 倍強力であると推定されるナノチューブは、レーザーを使用して炭素粒子を蒸発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。
炭素繊維の未来
炭素繊維技術の進化により、炭素繊維の可能性はますます多様化・拡大していきます。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、新たな産業の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可能性をすでに示しています。
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、商用グレードの 3D プリンターと組み合わせて使用される新しい材料を検討するなど、製造技術を変革しています。 「私は彼らに、完全に常軌を逸した考え方をす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 Hart 氏は説明した。
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料を印刷するプロトタイプのマシンが完成しました。 Hart 氏によると、学生チームは、ポリマーの大面積の平行押出を処理し、その場で印刷プロセスの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、Hart は MIT の化学准教授 Mircea Dinca と協力して、Automobili Lamborghini との最近締結された 3 年間の共同研究で、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る」が、「より軽く、より強いボディ、より効率的な触媒コンバーター、より薄い塗料、および改善されたパワートレインの熱伝達[全体]」につながる.
このような驚異的なブレークスルーが間近に迫っているため、炭素繊維市場が 2019 年の 47 億ドルから 2029 年までに 133 億ドルに成長す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。