ポリマーは、21 世紀で最も一般的に使用され、よく知られている材料の 1 つです。しかし、純粋なポリマーは、大きな強度と優れた耐熱性が必要な産業での使用には十分ではありません。結果として、熱可塑性複合材料が好ましい材料となり、これらの新しい材料を作成するには、高いエネルギー消費、高価な材料コスト、信頼性、リサイクル可能性などの障害を克服する必要があります。
炭素繊維
(CF) は、軽量、高温耐力、低密度、高弾性率、優れた耐薬品性などの優れた特性により研究者の注目を集めています。 CF は、高い強度重量比、低毒性、リサイクル可能、非腐食性、優れた耐摩耗性を備えたユニークな材料でもあります。一般に、CF は重要な電気的、物理的、機械的、および熱的特性を持っています。[9]
熱可塑性複合材料とは、熱可塑性ポリマーを指す。ポリエチレン（PE）、ポリアミド（PA）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）などをマトリックスとし、各種連続・不連続繊維（カーボン繊維、ガラス繊維など） 、等）複合材料の補強として使用される。

炭素繊維強化熱可塑性複合材料 (CFRTP) は優れた熱的、機械的、電気的特性を備えているため、建築や建設、海洋、自動車、スポーツ用品、航空機の用途に広く使用されています。


炭素繊維は、ポリマーマトリックスを強化するための有望な材料です。 CF 材料には、前駆体/原料、特性、熱処理段階での処理温度に応じていくつかの種類があります。 CF は、不連続繊維と連続繊維 (マトリックス内の繊維の配向) またはその長さに従って分類することもできます。その結果、多くのメーカーがさまざまなタイプの CF を製造しています[35]。

たとえば、不連続繊維をベースにした複合材料は、特性がほぼ等方性であることが要求される大量用途に使用されます。一方、連続繊維ベースの複合材料は、サポートビーム、衝撃プレート、格納容器など、一方向または両方向でより高い機械的特性が必要とされる少量用途で広く使用されています。
熱可塑性樹脂ベースの炭素繊維複合材は加工中に結晶化とガラス転移を起こすが、熱硬化性樹脂ベースの炭素繊維複合材は架橋反応と硬化反応を起こす。プロセスの難易度の観点から見ると、熱可塑性炭素繊維複合材料は熱硬化性炭素繊維複合材料よりも準備プロセスでの浸透が困難ですが、同時に、成形サイクルが短く、良好な衝撃を与えるという利点も明らかです。耐久性、溶接性、二次成形が可能であり、構造設計の自由度が高い
。
炭素繊維強化熱可塑性複合材料で作られたさまざまな部品は、低密度、高強度、比較的高い靭性、リサイクルと再利用という利点があり、航空宇宙、軍事、ハイエンド機械、医療およびその他の分野での幅広い応用の見通しを持っています。 .

5 つの主要な炭素繊維強化熱可塑性複合材料

１．炭素繊維強化PPS
PPS は、機械的特性、耐薬品性、難燃性などに優れた半結晶性熱可塑性樹脂です。炭素繊維の強化方法も、PPS の性能に非常に明らかな影響を与えます。 ５０％未満の範囲では、熱可塑性複合材料中の炭素繊維の体積比率が大きくなるほど、複合材料の機械的特性が高くなる ６５ 。

2.カーボンファイバー強化PI
炭素繊維強化PI複合材料では、炭素繊維が補強材であり主な耐荷重構造であり、樹脂マトリックスが主に繊維を接続して荷重を伝達する役割を果たし、せん断応力を伝達して耐え、引張応力や引張応力に耐えることができます。繊維に垂直な圧縮荷重を軽減し、繊維を損傷から保護します。
複合材料が外力を受けたとき、炭素繊維とマトリックス樹脂全体のひずみは等しくなりますが、炭素繊維の弾性率は炭素繊維よりもはるかに大きいため、炭素繊維とマトリックス樹脂の応力が同じである場合、炭素繊維の応力はマトリックス樹脂の応力よりもはるかに大きくなります。したがって、炭素繊維は、複合材料に加えられる応力負荷のほとんどを担います。
しかし、炭素繊維の表面は滑らかで不活性であり、比表面積が小さく、活性炭素原子のエッジがあり、表面エネルギーが低く、PIマトリックスの浸透と二相界面の接着が弱く、容易に接着できません。界面に空隙や欠陥が形成されると、層間せん断強度が低下し、界面接着強度が低下します。

[88] したがって、炭素繊維強化PI複合材の特性は、炭素繊維とPIのそれぞれの特性に依存するだけでなく、それらの間の界面結合特性とも密接に関係している。

3.カーボン繊維強化PA
ナイロン (PA) は一般的な熱可塑性エンジニアリング プラスチックとして、半世紀以上の開発があり、エンジニアリング プラスチックで最も広く使用されており、その製品は自動車、機械、石油化学、繊維、輸送分野で重要な役割を果たしています。 、建設、エレクトロニクス、冶金およびその他の産業分野。
ナイロン（PA）自体は優れた性能を持っていますが、吸湿性が大きい、製品の寸法安定性が低い、金属としての強度や硬度がある程度低いなどの欠点があり、用途価値に影響を与えます。これらの欠点を克服するために、連続炭素繊維強化材を使用して性能を向上させることができます。複合材料である炭素繊維強化ナイロンは、強化材とマトリックスの性能上の利点を完全に体現しており、強度と剛性は非強化ナイロンよりも大幅に高くなります。[97]

(PA+LCF)

４．炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）複合材料
炭素繊維強化PEEK複合材料は、連続相樹脂マトリックスとして特殊なエンジニアリングプラスチックポリエーテルエーテルケトン（PEEK）を、分散相強化剤として炭素繊維（CF）を使用した複合材料の一種です。現在、連続炭素繊維強化熱可塑性複合材料は、主に航空宇宙、衛星、軍事およびその他の分野で使用されている。

5． CF/PEI複合材料
PEIは、優れた機械的特性、電気絶縁性、耐放射線性、高温および低温耐性、耐摩耗性を備えた非晶質高性能ポリマーの一種です。 CF 配向が異なる CF/PEI 複合材料は、摩擦特性、引張弾性率、靭性、ひずみが異なります。改質プロセスにより、CFとPEIマトリックスの界面が改善され、材料が破壊されたときに引き抜かれる繊維の数が大幅に減少し、CF/PEIの引張強さ、降伏強さ、弾性率および弾性係数が向上します。複合材料が改良されています。



現在、熱可塑性複合材料は技術的に顕著な成熟と革新を示しています。これらの材料は、軽量、高強度、リサイクル性、加工の柔軟性などのユニークな特性により、さまざまな業界で広く使用されています。外国も大規模に利用し始めている。 TenCate、Victrexなどに代表される材料プロバイダー、Automated Dynamicsに代表される自動化機器プロバイダー、KVE、TPRC、FOKKERなどに代表される製造研究部門、エアバスやボーイングに代表される航空応用企業が体系的に発展し、その技術は高度化しています。完璧。同時に、現在の傾向は、熱可塑性複合材料がより優れた性能、より低いコスト、そしてより環境保護の方向に発展していることを示しています。特に航空宇宙、自動車製造、建設、エレクトロニクスにおいて、これらの材料はますます重要な役割を果たしています[145]。