グラファイトVSカーボンファイバー：包括的な比較

材料科学の分野において、黒鉛と炭素繊維は優れた特性を持ち、航空宇宙から日常生活まで多くの分野で重要な役割を果たしている。その特性、用途、市場動向を深く理解することは、材料科学の発展を促進する上で大きな意義がある。

グラファイトと炭素繊維の基本概要

グラファイト

S構造

典型的な層状結晶構造を持つ。その各層は炭素原子間の共有結合で結ばれ、六角形の平面網目構造を形成している。そのため、層内の炭素原子間の結合力は強い。層同士は、より弱いファンデルワールス力によって相互作用する。このユニークな構造が、優れた潤滑性など多くの特別な特性を与えている。層間のファンデルワールス力が弱いため、層は相対的に滑りやすい。同時に、一定の電気伝導性も持っており、電子は層内を比較的自由に動くことができる。

生産プロセス

その製造工程は通常より複雑である。一般的に石油コークスとアスファルトコークスを原料として使用する。まず、これらの原料を前処理して不純物を取り除く必要がある。その後、高温で焼成して黒鉛化させます。その後、粉砕、成形などの工程を経て、目的の形状にします。最後に、黒鉛の純度と結晶性をさらに向上させるために、高温黒鉛化処理を行うことも必要である。一般的にこの高温処理は2500℃～3000℃に達することがあり、黒鉛の純度と結晶性を向上させるためである。 グラファイト材料 優れたパフォーマンスで。

カーボンファイバー

S構造

炭素含有量が90%以上の高強度・高弾性繊維である。微細構造から見ると、炭素繊維の炭素原子配列は一定の配向性を持っている。これはカオス的な黒鉛構造に似ており、高強度・高弾性率を実現している。炭素繊維の炭素原子は主に共有結合で結合し、安定した構造骨格を形成している。

生産プロセス

これは一般的に、ポリアクリロニトリル（PAN）繊維、アスファルト繊維、ビスコース繊維をベースにしている。撮影 PAN系炭素繊維 一例として、製造工程は前駆体フィラメントの重合と紡糸から始まる。PANモノマーを重合してポリマーとし、紡糸工程を経て繊維とする。次に予備酸化処理を行い、200℃～300℃の空気中でPAN繊維を酸化架橋する。耐熱性の台形構造を形成し、その後の炭化に備える。その後、1000℃～1500℃の不活性ガス中で炭化処理を行い、繊維中の炭素以外の原子を除去する。炭素含有量が90%以上になるようにする。最後に、必要に応じて黒鉛化を行う。さらに、2000℃以上の高温で炭素繊維の結晶化度と弾性率を向上させ、性能を向上させる。

グラファイトと炭素繊維の特性比較

機械的特性

強さ

炭素繊維の強度 高性能炭素繊維の引張強度は3500MPaを超え、特殊炭素繊維では7000MPaを超える。高い引張力に耐える航空宇宙部品やその他の構造部品によく使用される。グラファイトは層間のファンデルワールス力が弱いため、スリップしやすい。また、通常の黒鉛の引張強度は数十MPaしかなく、炭素繊維よりも低い。

モジュラス

炭素繊維の弾性率は高く、一般的に230〜480GPa、600GPa以上の高弾性率である。変形力が小さく、形状安定性が良い。黒鉛の弾性率は通常数GPaから数十GPaで、変形に対する抵抗力は炭素繊維よりはるかに劣る。変形が大きく要求される場面での適用は難しい。

物理的性質

密度

炭素繊維の密度は1.7～2.0g/cm³である。炭素繊維は、航空宇宙分野や自動車軽量化分野で明らかな利点を持つ軽量素材である。グラファイトの密度は2.09～2.23g/cm³で、炭素繊維よりわずかに高い。そして、その用途は、厳しい重量制限のある場面では限られている。

電気伝導度

黒鉛導電率10⁴ – 10⁵ S/mであり、電池の電極やブラシなど、電子分野で一般的に使用されている。炭素繊維の導電率は比較的低く、10² -10⁴ S/M。しかし、特定のニーズを満たすための特別な処理によって改善することができる。

熱伝導率

黒鉛は熱伝導率と異方性がよく、平行層の熱伝導率は数百W/(m・K)に達する。電子機器のヒートシンクによく使われる。炭素繊維の熱伝導も異方性である。繊維軸方向の熱伝導率は100～800W/(m・K)、垂直方向はわずか5～20W/(m・K)です。

化学的性質

耐食性

グラファイトは耐食性に優れ、ほとんどの酸やアルカリによる侵食に耐えることができる。また、化学産業では、耐腐食性のパイプラインや原子炉のライニングに使用することができます。炭素繊維は一般的な化学環境では安定しており、一般的な酸や塩基の溶液に耐えることができます。しかし、酸化力の強い酸などの特殊な環境では、化学反応によって性能が低下することがあります。

耐酸化性

黒鉛と炭素繊維は、常温では良好な耐酸化性を持っている。しかし、黒鉛は温度が上がると400℃以上で明らかに酸素と反応する。また、炭素繊維は300℃付近で明らかな酸化現象が見られ、高温好気性環境での使用には限界がある。しかし、表面コーティング処理によってある程度改善することができる。

適用分野の比較：グラファイト対炭素繊維

黒鉛の応用分野

冶金業界では、黒鉛るつぼのような耐火材料として、高温や化学腐食に耐えることができます。鋳造業界では、鋳造精度と表面品質を向上させるための黒鉛鋳型。エレクトロニクス分野では、電極として使用することができ、また、柔軟なヒートシンクを製造するために使用されます。電子工学の分野では 核 工業では、核反応の安定性を確保するための減速材として作用する。また、製鉄業では、黒鉛でできた電極を導体として使用し、電気アークを発生させて鋼や金属合金を製錬する。

炭素繊維応用分野s

航空宇宙分野では、高強度、低密度の特性により、航空機の翼やその他の部品の製造に使用することができ、飛行性能を向上させることができます。スポーツ用品の分野では、高級自転車やゴルフクラブなどの製造に使用し、品質を向上させることができる。においては 自動車産業また、車体部品やトランスミッションシャフトの製造に使用することで、軽量化を実現し、エネルギー消費量と排出量を削減することができます。

コストと市場分析：グラファイトと炭素繊維の比較

コスト構成の分析

黒鉛のコストには、原材料、エネルギー消費、設備の減価償却費などが含まれる。

原料が豊富でプロセスが成熟しているため、全体的なコストは低い。炭素繊維コストに占める原料繊維コストの割合が大きく、高性能PAN原料繊維の価格が高い。また、生産工程のエネルギー消費量が大きく、設備が高価で、メンテナンスコストが高い。これらの結果、生産コストが高くなる。

市場の現状と動向

黒鉛市場は成熟し、広く使用されており、需要は安定している。新エネルギーやエレクトロニクス産業の発展に伴い、特定分野の需要は依然として伸びている。炭素繊維市場は近年急成長しており、航空宇宙、自動車軽量化などのハイエンド分野で需要が増加している。技術の進歩と規模の拡大は、コストを削減し、市場の見通しを期待されている。

購入ガイド

黒鉛を購入する際には、その純度、粒子径、物理的・化学的特性を必ず考慮してください。また、黒鉛製品が用途要件を満たしているか、試験報告書が付属しているか、アフターサービスが万全であるかを確認するために、適切なサプライヤーを選択してください。

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結論

グラファイトと炭素繊維は、構造、性能、用途、コストが大きく異なり、それぞれが異なる分野で重要な役割を果たしている。将来的には、性能を最適化し、コストを削減することが期待されている。そして、その利点を最大化するためには、実用上の需要に応じて合理的に選択する必要がある。