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炭素繊維複合材料の特徴、主な製品、特性と用途 2023-05-30

1.序文


炭素繊維とは炭素含有率が90%以上の高強度・高弾性繊維を指します。化学繊維の中でもトップクラスの耐熱性を誇ります。アクリルとビスコース繊維を原料とし、高温で酸化炭化させて作られています。

材料特性: 炭素繊維は主に炭素元素で構成され、高温耐性、減摩性、導電性、熱伝導性、耐食性などを備えています。形状は繊維状で、柔らかく、さまざまな布地に加工できます。繊維軸に沿ったメリット配向のグラファイト微結晶構造により、繊維軸に沿って高い強度と弾性率を備えています。炭素繊維の密度が低いため、比強度と弾性率が高くなります。炭素繊維の主な用途は、樹脂、金属、セラミックス、炭素と混合して高度な複合材料を作成するための強化材としてです。[8]
炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料は、既存のエンジニアリング材料の中で最も高い比強度と弾性率を備えています


2. パフォーマンス

(1) 機械的性質

炭素繊維複合材料は、高引張強度、高弾性率、低密度、高比強度および高比弾性率を有する。従来の金属材料と比較して、炭素繊維複合材料は軽量、高強度、高靱性であり、明らかな利点を持っています。同じく新素材であるシリカ系繊維複合材料と比較して、炭素系繊維の引張強度は約3~7倍です。カーボンマトリックス繊維の弾性率はシリコンマトリックス繊維よりも高いため、同じ外部負荷の下でのカーボンファイバー複合材料の歪みは小さく、その部品の剛性はシリコンマトリックス繊維複合部品の部品の剛性よりも高くなります。高弾性炭素繊維の破断伸びは約0.5%、高強度炭素繊維の破断伸びは約1%、シリカ系繊維の破断伸びは約2.6%、エポキシ樹脂の破断伸びは約1.7%であるため、炭素繊維複合材料の繊維の特性を最大限に発揮できます。

炭素繊維は脆く、衝撃性能が低いため、炭素繊維複合材の引張損傷モードは脆性損傷に属します。つまり、引き剥がす前に明らかな塑性変形はなく、応力-ひずみ曲線は直線であり、同様です。ガラス繊維よりも弾性率が高く、破断点伸びが低い点を除いて、ガラス繊維と同様です。炭素繊維複合材料は、高温および低温に対して優れた耐性を持っています。空気の隔離 (不活性ガス保護) では、2000 ℃ でも強度があり、液体窒素は脆くなりません。

(2)耐食性


炭素繊維複合材料は、濃硝酸、次亜塩素酸、重クロム酸塩などの強力な酸化剤により酸化されることがありますが、一般の酸や塩基による影響は非常に小さいため、シリコン系繊維複合材料に比べ耐食性に優れています。炭素繊維複合材料は、シリコンベースの繊維複合材料のように湿った空気中で加水分解反応を起こさず、優れた耐水性と湿気や熱による老化に対する耐性を備えています。また、耐油性、耐放射線性、言葉の動きの減速などの特性も備えている[32]。

3.炭素繊維複合材料の応用

炭素繊維複合材料は、その優れた性能により、主に航空宇宙、自動車、構造強化工学、新エネルギー開発、レジャー製品などのさまざまな分野で広く使用されています


(1) 航空宇宙

炭素繊維複合材料は主に航空宇宙産業で使用されており、宇宙船の打ち上げコストは重量に比例するため、性能を確保しながらいかに宇宙船を軽量化するかが最重要課題となります。炭素繊維複合材は、高い比強度、高い比弾性率、高い動作温度範囲という利点があり、宇宙船のシェル、内部構造、構造物に至るまで、航空宇宙産業で使用されており、航空宇宙エンジンのほぼすべてが炭素繊維複合材でできています。近年、炭素繊維複合材料の製造コストが低下するにつれて、軍用機および民間航空機では、機体機構の質量を大幅に削減し、空力弾性を改善し、航空機の全体的な性能を向上させるために、炭素繊維複合材料が大規模に使用され始めています。

統計によると、現在、炭素繊維複合材料の使用率は小型ビジネス機やヘリコプターで70~80%、軍用機で30~40%、大型旅客機で15~50%となっている。ボーイング社の B777 を例に挙げると、このタイプの航空機に使用される炭素繊維複合材料の割合は 9% に達します。これらの高度な複合材料は、主に尾翼、フラップ、エルロン、アンテナ、フェアリング、ナセル、フロアビーム、および垂直安定化表面翼ボックス、平坦尾翼ボックス、舵、エレベーター、前縁および後縁壁パネルを含むその他の部品に使用されています。 、フロアビーム、アウターエルロン、アウターフラップ、フラップ、フラップ、フェアリングスキン、インナーおよびアウタースポイラー、トレーリングエッジパネル、エンジンナセル、エンジンサポートフェアリング、フロントランディングギアハッチ、固定前縁、レーダーレドームなど

(2)自動車


材料システム研究所による車両の軽量化と生産コスト削減のための材料に関する研究では、車両質量が 10% 削減されるごとに、燃料消費量が 6% 削減できることが示されています。 CFRPは既存素材の中で最も軽量化効果が高く、自動車の設計と複合技術の急速な発展と結びついています。これらすべてにより、自動車製造における CFRP の適用が人々の予想よりもはるかに早くなりました [58]。
アモイ LFT は 10 年以上にわたって炭素繊維の開発と生産を行っています。炭素繊維を織物に織り込み、特殊な樹脂を浸透させてプリプレグを作り、製造ニーズに応じてさまざまなサイズに切断します。得られた CFRP は非常に高い性能を備えています。[60]



こちらが当社の材料から作られた完成品です


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