カーボンコンポジットとは？

軽量化、高強度化、耐食性など、材料に対する要求が高まるにつれ、従来の金属材料では対応できなくなってきている。しかし、炭素複合材料は、その優れた総合的な性能のために際立っており、現代の材料分野における注目の用途となっている。そのため、その定義、組成、特性、関連産業における用途を理解することが重要である。

炭素複合材料の基本的な定義と構成

定義

炭素複合材料は、特定の機能と機械的特性を持つ新しいタイプの複合材料である。炭素繊維を強化材とし、樹脂、金属、セラミックスなどをマトリックス材料とする。そして、圧縮成形、巻き取り、ホットプレスなどの成形工程を経て、両者は密接に結合される。鉄などの単一素材の複合性能をはるかに上回る画期的な性能を実現している。

主要コンポーネント

補強材

補強体は、材料の強度や弾性率などのコアとなる機械的特性を直接決定する。その主成分は炭素繊維であり、ポリアクリロニトリル、ビスコース繊維などの多くの有機繊維を含む。高温炭化や黒鉛化などの工程を経て不純物を取り除き、炭素の原子構造を再編成することで作られる。最終的には、直径わずか5～10マイクロメートル、炭素含有量90%以上の繊維状の材料が形成される。また、炭素繊維は性能の違いにより、いくつかのグレードに分類される：

汎用グレード（T300など）

その強度と弾性率は中程度で、コストが低く、主にスポーツ用品や一般的な工業部品に使用されている。

高性能グレード（T800、T1100など）

引張強度は鋼鉄の5～6倍に達し、弾性率はアルミニウム合金よりもはるかに高い。そのため、航空宇宙やハイエンド機器など、極めて高い性能が要求される分野に使用できる。

さらに、連続繊維やチョップドファイバーなど、炭素繊維の形態も材料特性に影響する。

マトリックス材料

マトリックス材料は、分散した炭素繊維を全体として結合させ、外部からの荷重を均等に伝える役割を担っている。また、腐食や高温などの過酷な環境による炭素繊維の損傷を防ぐ役割もある。現在、主流となっているマトリックス材料は主に3つのカテゴリーに分けられる：

樹脂マトリックス

エポキシ樹脂：

強力な接着力、簡単な成形プロセス、制御可能なコストを持っており、航空宇宙やスポーツ用品に好まれています。

フェノール樹脂：

耐熱性、難燃性に優れ、耐火部品に多く使用されている。

ポリイミド樹脂：

200℃を超える温度でも安定して作動し、ハイエンドのエンジン部品に適している。

メタルマトリックス

アルミニウム、マグネシウム、チタンなどの軽金属とその合金が主成分である。高強度と高熱伝導性を併せ持つが、成形工程が複雑でコストも割高。そのため、熱伝導性が要求される電子機器や航空機エンジンのブレードなどの放熱部品に適している。

セラミック・マトリックス

主に以下のような材料で構成されている。 炭化ケイ素 とアルミナからなり、耐熱性に優れ、耐摩耗性にも優れている。1000℃以上の高温にも耐えることができ、過酷な環境下での部品の中核材料となっている。

炭素複合材料のコア特性

高強度・高弾性率

その引張強度は鋼鉄の数倍に達し、弾性率は従来の金属をはるかに上回る。このため、炭素複合材を使用した部品は小型化、軽量化が可能となり、安定性が確保される。また、効果的に変形に耐えることができるため、翼の変形を抑え、飛行の安全性と性能を確保することができる。

低密度

カーボンコンポジット 素材は密度が極めて低く、鋼鉄の1/4～1/5、アルミニウムの約1/2しかない。そのため、自動車のボディやシャーシなどの部品製造に使用することができ、重量を大幅に減らすことができる。また航空宇宙分野では、航空機の重量を減らすことで打ち上げコストを削減し、ペイロードと航続距離を伸ばすことができる。

耐食性と耐疲労性

化学的安定性が高く、耐食性に優れているため、酸、アルカリ、塩と反応しません。そのため、過酷な化学環境でも長期間使用することができ、機器の寿命を延ばし、メンテナンスコストを削減することができます。さらに、優れた耐疲労性を発揮するため、交番荷重下でも損傷がゆっくりと広がり、疲労寿命が長い。

デザイン性

炭素複合材料は高い設計性を持っており、部品の性能は必要に応じて設計することができます。炭素複合材料の種類、含有量、敷設方向、敷設方法を変更することができます。 炭素繊維また、異なるマトリックス材料を選択することもできます。さらに、成形工程を変更することで、大掛かりな切削加工を必要とせず、複雑な形状の部品を製造することができます。材料の無駄を減らし、効率を向上させ、様々な分野での特殊な要求を満たすことができ、応用範囲が広がります。

カーボンコンポジットの主な応用分野

航空宇宙分野

旅客機の場合

重量を軽減し、燃費を向上させるため、胴体や主翼、その他の基幹部品には広範囲にわたって使用されている。また、一部の戦闘機ではスキンや爆弾倉のドアに使用され、操縦性を高め、ステルス性能を向上させている。

宇宙船の場合

人工衛星のフレームやソーラーパネル支持の軽量化と耐荷重の向上に使用できます。また、3000℃以上の高温に耐えることができ、打ち上げを確実にすることができます。

輸送分野

自動車部門

トランスミッションシャフトが金属製より40%軽いため、軽量化・省エネルギーの実現に役立つ。また、スプリングの重量を半減させ、耐疲労性を維持することで、伝達効率を高めています。

高速鉄道部門

電車のボディシェルやシートフレームに使用することができ、10%以上の車体重量を減らすことができます。また、牽引エネルギー消費量を8%から10%に減らすことができ、耐食性にも優れています。また、耐食性にも優れているため、湿度の高い沿岸部でのメンテナンスが軽減され、運転コストも削減できる。

スポーツ用品分野

ボール装置

フレームについては、金属よりも30%軽量であり、良好な弾性を有し、効率的に力を伝達し、腕の怪我を軽減します。ゴルフクラブは、繊維のレイアウトを変更することにより、シャフトの剛性と硬いヘッドを達成するために調整することができます。

自転車競技および陸上競技用具

高級自転車のフレームやホイールに使用することで、極めて軽量かつ高剛性を実現できる。棒高跳びに使えば、ポールがエネルギーを蓄え、選手が高さを突破するのに役立つ。

産業・新エネルギー分野

風力発電

従来のグラスファイバー製ブレードに比べ、30%軽量で疲労に強い。また、20年以上もの間、強い海風の中でも安定した運転が可能で、大規模風力発電や洋上風力発電の発展に適応している。

高圧容器の分野

軽量で耐食性に優れているため、天然ガスや水素の貯蔵タンクに使用できます。また、水素燃料電池車の水素貯蔵タンクにも使用でき、軽量化と航続距離の向上が期待できる。

結論

炭素複合材は優れた性能を持ち、高強度、低密度などの利点がある。また、航空宇宙、輸送、スポーツ用品、産業用新エネルギーなどの分野で幅広い応用が期待されている。さらに、産業技術革新を推進するだけでなく、軽量化と省エネルギーのための材料ソリューションを提供します。