炭素材料：包括的ガイド

炭素材料とは、炭素を主成分とする固体材料の総称である。通常、黒鉛の微結晶から構成されている。炭素材料には、優れた性能と幅広い応用の可能性を持つ多くの種類がある。

I.炭素材料の特性

物理的性質

炭素材料は次のような物理的特性を持つ。 ハイライト 透過率、高い電気伝導率、高い熱伝導率、高い耐食性。光線透過率はガラス並みで、電気伝導率と熱伝導率は銅やアルミニウム並みである。

化学的性質

炭素材料は耐食性材料であり、化学的安定性が高く、ほとんどの酸、アルカリ、塩に対して優れた耐食性を持つ。

II...主なタイプの詳細説明

グラファイト

グラファイトは炭素原子の層状構造で、六角形の格子面で構成されている。各炭素原子は4個の自由電子を持っている。黒鉛は電気伝導性、熱伝導性に優れており、以下のような用途に適している。 電極熱交換器などの分野で使用されている。黒鉛は天然黒鉛と人造黒鉛に分けられ、両者は構造が似ているため、物理的・化学的性質は類似しているが、用途は全く異なる。

活性炭

活性炭は、特殊処理炭素の一種であり、よく発達した細孔構造と大きな表面積を持つ。その強力な吸着能力、大きな比表面積、発達した内部細孔構造、低い嵩密度などの特性のために、それは広く水の浄化、脱硫、脱窒素、回収溶剤、緊急吸着、水銀除去や他の多くの分野で使用されています。同時に、活性炭は、多くの場合、ガス調製や改質などの化学反応における触媒または触媒担体として使用されます。

カーボンナノチューブ

カーボンナノチューブは、高強度、高導電性、高熱伝導性という優れた特性を持つ一次元ナノ材料である。 その川下の応用は主に新エネルギー自動車産業、3Cデジタル産業、半導体産業、電力インフラなどの分野に及ぶ。カーボンナノチューブの大規模な商業応用の需要は、主にリチウム電池と導電性プラスチックの分野から来ており、そのうちの80%以上の需要はリチウム電池から来ている。

グラフェン

グラフェン は、ハニカム状に配列した炭素原子の単層からなる二次元炭素材料である。 グラファイト、ダイヤモンド、カーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンなど、他の多くの異形炭素の基本構造要素である。 優れた光学的、機械的、電気的特性を持つこの材料は、マイクロ・ナノ加工、材料科学、エネルギー、薬物送達、生物医学への応用が極めて重要であり、今後数十年の有望な材料と考えられている。

カーボンファイバー

炭素繊維は、炭素含有量が90%以上の高強度・高弾性率の繊維素材である。炭素繊維は、炭素の分解と結合によって形成される。 炭化 ポリアクリロニトリル（またはアスファルト、ビスコース）などの有機繊維を高温環境下で使用したもの。軽量、高強度、高弾性率、耐高温性、耐腐食性などの特徴を持つ。このため、炭素繊維は現代のハイテク分野における戦略的新素材であり、「新素材の王様」と呼ばれている。炭素繊維は様々な方法で分類することができ、原料の違いによってポリアクリロニトリル系（PAN-CF）、ビスコース系（Rayon-CF）、アスファルト系（Pitch-CF）に分けることができる。

III.適用分野

新しいエネルギー・フィールド：

炭素材料は、新エネルギーの分野で幅広い用途がある。例えば、炭素マトリックス複合材料は、高効率バッテリーやスーパーキャパシターの製造に使用できる。グラフェンは太陽電池や風力発電ブレードの製造に利用できる。新エネルギー技術の絶え間ない発展に伴い、新エネルギー分野における炭素材料の応用範囲はさらに広がるだろう。

自動車：

炭素材料は、自動車分野で軽量部品や高効率エンジン部品の製造に使用されている。例えば、炭素繊維複合材料は、自動車の車体や部品に使用され、軽量化と高性能化を実現する。グラフェンはまた、自動車の出力と経済性を向上させる高効率燃料電池の製造にも使用できる。

航空宇宙

炭素材料は、航空宇宙分野で高性能の航空機や宇宙船の製造などに使用することができる。例えば、炭素繊維複合材料は、軽量な翼や胴体の製造に使用することができ、その性能を向上させることができる。グラフェンはまた、航空機の出力と経済性を向上させる高性能航空エンジンの製造にも使用できる。

産業：

炭素材料は、高性能の部品や工具を作るために産業分野で使用されている。例えば、炭素繊維複合材料は、高度な機械部品や工業用パイプなどの製造に使用され、性能と耐用年数を向上させることができる。また、グラフェンは高効率のポンプやバルブの製造にも利用でき、工業生産の効率を向上させる。

医療分野

カーボン素材は外科用インプラントに理想的な素材である。人工骨、人工股関節、人工膝関節、心臓弁などのインプラントが製造に成功している。

半導体

カーボン材料は、半導体熱電界部品、電極材料、放熱基板、パッケージ・ハウジング、検査プローブなどの製造に使用できる。

太陽光発電分野

炭素材料は高純度等方性黒鉛製品の輸入代替品である。そのため、炭素材料は太陽光発電熱分野システムで成功に実現され、太陽光発電熱分野の長結晶消耗品として広く使用されている。例えば、るつぼ、分流筒、断熱筒など。

エネルギー部門

炭素材料はエネルギー分野で幅広い用途がある。例えば、グラフェンは太陽電池やリチウム電池の電極材料として使用でき、電池のエネルギー密度や充放電速度を向上させることができる。カーボンナノチューブは水素貯蔵材料として使用でき、水素の貯蔵量と貯蔵速度を向上させることができる。炭素繊維を燃料電池の触媒担体として使用することで、触媒の活性と安定性を向上させることができる。

環境分野

炭素材料はまた、環境分野でも幅広い用途がある。例えば、グラフェンは水処理や空気浄化の分野で使用することができ、処理効率や浄化効果を向上させることができる。カーボンナノチューブは、水や空気中の有害物質を吸着・除去するために使用できる。炭素繊維は、環境中の化学物質や汚染物質のレベルを監視する環境センサーの製造に使用できる。

V.将来の展望

新素材産業は、生物医学、情報技術、新エネルギーなどのハイエンド分野と炭素材料を支える重要な産業である。そして重要な部品として、炭素材料は戦略的な位置を占めている。近年、炭素材料は、ダイヤモンド、炭素繊維、炭素/炭素複合材料、グラファイト、ハードカーボン、グラフェン、カーボンナノチューブ、炭素ドット......などに拡大し、その応用分野も絶えず拡大し、各産業のエコロジー産業チェーンの革新を加速している。また、2024年以降、低高度経済が急上昇している。産業チェーンの上流に位置する重要な素材として、炭素繊維とその複合材料は、低高度経済の発展を促進する重要な力に貢献するだろう。従って、炭素材料産業の展望は非常に広いと信じる理由がある。