グラファイトは複合材料か？

グラファイトは、複合材料の調製において補強相としてしばしば使用され、幅広い用途がある。しかし、黒鉛が複合材料であるかどうかについては、しばしば議論がある。本稿では、材料科学の定義に基づき、黒鉛の組成と構造について述べる。そして、黒鉛と複合材料の本質的な違いを明らかにする。

複合材料の分析

定義の説明

厳密な意味では、複合材料は性質の異なる2つ以上の材料から構成される。物理的または化学的手法により、マクロ（ミクロ）レベルで新たな特性を持つ材料が形成される。これらの構成材料は、複合材料の中で相対的な独立性を維持する。そして、単一の材料では持ち得ない特性を複合材料に与えるために、互いに協力的に働く。例えば、ガラス繊維強化プラスチック。ガラス繊維は高い強度と剛性を与え、プラスチックは優れた成形性と耐薬品性を与える。そして、それらが組み合わさって、優れた性能を持つ複合材料が生まれる。

主な特徴

第一に、複合材料は設計可能である。さまざまな用途の要求に応じて、異なる構成材料と複合方法を選択することができます。そして、複合材料の性能を正確にコントロールすることができる。第二に、複合材料は構成材料の単純な組み合わせよりも優れた性能を発揮する傾向があり、これは "相乗効果 "と呼ばれている。さらに、複合材料の構成要素間には明らかな界面が存在する。そして界面の特性は、複合材料の全体的な特性に決定的な影響を与える。

黒鉛の性質を探る

グラファイトの形成

ナチュラル・グラファイト

長い地質学的時間を経て有機物の変成作用によって形成され、変成岩中に存在する。結晶形態によって結晶性黒鉛と隠微晶黒鉛に分けられる。前者は電気伝導性と潤滑性に優れ、後者は比表面積が大きい。

人造黒鉛

石油コークスと他の炭素含有原料から高温黒鉛化で作られる。原料、温度、時間を調整することにより、その性能を正確に制御することができ、現代産業で広く使用されています。

グラファイトの微細構造

層状構造を持ち、層中の炭素原子は共有結合で六角形のネットワークを形成し、層はファンデルワールス力によって結合している。そのため、電気伝導性、熱伝導性、平面方向の潤滑性に優れている。

グラファイトの性能特性

電気伝導性と熱伝導性に優れ、電極やヒートシンクの材料として理想的である。さらに、化学的安定性に優れ、自己潤滑性があるため、機械部品の摩擦や摩耗を軽減することができます。

複合材料におけるグラファイトの応用

ポリマーマトリックスコンポジット

ポリマーマトリックスコンポジットでは、グラファイトを添加することで、ポリマーの電気伝導性、熱伝導性、機械的特性を大幅に向上させることができる。例えば、プラスチックに適量のグラファイトを添加することで、帯電防止特性を持つプラスチック製品を調製することができる。これは電子機器パッケージの分野で広く使われている。さらに、グラファイト強化ポリマーマトリックス複合材料は耐摩耗性にも優れている。そして、メカニカルシールのような耐摩耗部品の製造に使うことができる。

金属マトリックス複合材料

金属マトリックス複合材料では、グラファイトを添加することで金属の性能を向上させることができる。材料の密度を下げ、材料の耐摩耗性と自己潤滑性を向上させることができる。アルミニウム礎石インク複合材料を例にとると、この材料はアルミニウムの軽量性と良好な加工性能の両方を持ち、グラファイトの自己潤滑性を持っています。エンジンのピストンやその他の部品の製造に使用し、エンジンの作業効率と耐用年数を向上させることができます。

カーボン/カーボンコンポジット

カーボン/カーボン複合材料 は、炭素または黒鉛繊維を強化材とし、炭素または黒鉛をマトリックスとする複合材料である。この材料は耐熱衝撃性に優れている。炭素/炭素複合材料中の黒鉛は、強化相としてもマトリックス相としても機能する。黒鉛の構造と含有量を制御することにより、炭素/炭素複合材料のさまざまな要件を満たすためにそれを準備することができます。また、航空機のブレーキディスクの製造など、航空宇宙分野で広く使用することができます。

グラフェン・コンポジット

グラフェン グラフェンは、グラファイトからはぎ取られた単原子層の二次元物質で、優れた機械的、電気的、熱的特性を持つ。グラフェンを他の材料と組み合わせることで、高性能のグラフェン複合材料を調製することができる。例えば、ゴムと組み合わせると、ゴムの強度と耐摩耗性を大幅に向上させることができる。

セラミックマトリックス複合材料

従来のセラミック材料は、硬度が高く脆いという特徴を持っています。黒鉛を加えることで、セラミック内部の応力集中を効果的に緩和し、材料の靭性を向上させることができます。そのため、高温炉のライニングや切削工具などの製造に黒鉛強化セラミック基複合材料を使用することができます。

ガラスマトリックス複合材料

ガラスマトリックスコンポジットにグラファイトを加えることで、一定の導電性と自己潤滑性を持たせることができる。この複合材料を使って、曇り止めや帯電防止機能を持つガラスなど、特殊なガラス製品を作ることができる。

ゴムマトリックス複合材料

ゴムマトリックス複合材料にグラファイトを充填することで、導電性と耐摩耗性を向上させることができる。ゴムにグラファイトを添加することで、炭鉱で使用されるコンベアベルトなどの帯電防止ゴム製品を作ることができる。静電気による安全事故を効果的に防ぐことができる。

セメントマトリックス複合材料

セメント系複合材料では、グラファイトを添加することで、セメントの導電性と機械的特性を向上させることができる。電気加熱によって道路の雪や氷を溶かすことができるので、道路の解氷材に使用できる。

結論

要約すると、黒鉛は元素状炭素からなる層状結晶物質であり、複合材料というよりはむしろ単一成分物質である。しかし、黒鉛は複合材料の分野で不可欠な役割を果たしている。黒鉛は、他の材料と組み合わせることによって複合材料の特性を大幅に向上させ、優れた総合特性を持つ新しい材料を作り出すことができる。黒鉛材料を購入する必要がある場合は、今すぐご連絡ください。