シボレー・カマロ

カーボン

カーボンとは?

カーボンは、カーボンファイバーとも呼ばれ、軽くて丈夫な炭素繊維の略称です。世界で「ブラックゴールド」として知られ、そして、国際的に石や鋼鉄および他の金属にちなみ「第三世代材料」と呼ばれています。石油(石炭、コールタールなどの副生成物)やアクリル系の長繊維を原料に高温で炭化(黒鉛化)して作られた繊維を指します。特徴は軽くて強いです。炭素繊維と関連するマトリックス樹脂(エポキシ樹脂など)からなる複合材料は、鉄と比較すると比重で1/4、比強度で10倍、比弾性率が7倍あるので、金属に匹敵する多くの物理的および機械的特性を持っています。その独特の高温耐性(> 3000℃)、耐アブレーション性、熱膨張係数が小さい、高比強度、通電性、薬品反応耐性、低熱膨張率、自己潤滑性などのために、航空宇宙、航空、自動車、化学、電子およびスポーツ用具において広く使用されています。

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炭素繊維は、主に炭素元素からなる一種の特殊繊維であり、炭素量を含む種類によって異なり、一般的に90 %以上です。JIS規格(日本粉体工業技術協会ウェブサイト)では「有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理して得られる、質量比で90%以上が炭素で構成される繊維」と規定されています。
通常の炭素材料とは異なり、形状は著しく異方性があり、柔らかく、さまざまな布地に加工でき、繊維軸に沿って高い強度を示します。しかし、炭素繊維を単独の材料として利用することは少なく、合成樹脂などの母材と組み合わせた複合材料として用いることが主です。複合材料として炭素繊維は比重が小さいですが、比強度が高いです。
炭素繊維はピッチを使ったピッチ系(PITCH)、アクリル繊維を使ったPAN系(Polyacrylonitrile)の2種類に分けられます。

ピッチ系とPAN系の違い

ピッチ系炭素繊維

石油、石炭、コールタールなどの副生成物を原料に、高温で炭化して作った繊維です。900℃以上の高温で原油を精製した残渣には、約95重量%の炭素質物質が含まれており、硫酸を電解除去した後、水洗すると、純度の高いアスファルトが得られるます。特賞としては、寸法安定性が良い、熱伝導率が高い、耐摩耗性や耐熱性が優れる、耐酸性が強い、振動減衰性が良い、環境にやさしい、衝撃に強い、電気伝導性が高いといった点でもあります。また、原料の違いおよび製造方法により弾性率の低いものから高いもの、 強度が高いものなどさまざまな炭素繊維製造品が出てきます。現在、航空宇宙(人工衛星のアンテナ/リフレクターなど)、スポーツ・レジャー分野、ロール、ロボットアーム、産業部材、自動車部材、高機能部材などの領域に使用されています。

PAN系炭素繊維

アクリロニトリルからポリアクリロニトリル繊維(PAN繊維)を重合して作られています。空気中で200-350℃で数時間熱処理して耐炎化繊維を作ります。その後、1000℃以上の環境に置いて炭素化工程と黒鉛化工程を経験します。PAN系炭素繊維の単繊維は太さは5-7μmです。
PAN系炭素繊維は生産技術が簡単でコストが低い、炭素化吸収率が高い、また優れた機械的性質の為に、高性能炭素繊維を製造する、最も有望な前駆体です。その特徴を利用して製造していた炭素繊維の総合性能が優れる、生産技術も簡単、そして、PAN系炭素繊維製品の生産力が世界一で、最も広く使用されています。今現在、生産世界の炭素繊維市場の主流であり、世界の炭素繊維生産の90%以上を占めています。PAN系炭素繊維の2010年の全世界生産量は、レギュラートウが55,300トン、ラージトウが14,800トンで合計70,100トンと推計されています。

炭素繊維を用いた複合材料

どの系のものでも、炭素繊維を使ったものであれば、必ず合成する複合材料です。
炭素繊維を用いた複合材料としては炭素繊維強化プラスチック、炭素繊維強化炭素複合材料などがあります。

炭素繊維強化プラスチック

強化材(樹脂)に炭素繊維を用いた繊維強化プラスチック、英語で言えば「carbon fiber reinforced plastic」で、略称するとCFRPと言います。CFRPに使われる樹脂には、加熱すると硬化する熱硬化性樹脂と、加熱すると融解する熱可塑性樹脂があります。母材には主に熱硬化性のエポキシ樹脂が用いられます。単にカーボン樹脂やカーボンとも呼ばれます。

CFRPの特長は「軽い」「強い」「錆びない」「電磁波遮蔽性がある」「寸法安定性が良い」「振動減衰性が良い」「疲労特性に優れる」「たわみにくい」などがあります。軽い・強いという期待値はデータで実証されているようにも感じます。これまで「スポーツ用品」「一般産業部品」「風車のブレード」「飛行機」に用いられてきました。CFRPは「自動車-プロペラシャフト」「外板」「機械部品-板ばね」「ロボットアーム」「圧力容器-水素タンク」「CNGタンク」などの分野に需要を持っています。
1990年代から航空機、自動車などの産業用に用途が拡大しており、建築、橋梁の耐震補強など、建設分野でも広く使われております。

炭素繊維強化炭素複合材料

炭素繊維強化炭素複合材料とは繊維強化複合材料の一種で、炭素繊維を炭素で強化したもので、軽量、高強度、高弾性などの優れた特性を持っている複合材料であり、C/Cコンポジットやカーボンカーボン複合材料、カーボンカーボンとも呼ばれます。
製造方法を要約すると、異なるタイプによって、各種成形法で炭素繊維を芯材とするベンゼンフェノール樹脂成形物(CFRP)を作り、成形硬化後、真空(不活性雰囲気中)に1,000~2,300°Cの温度で焼制し、ベンゼノール樹脂部分(母材のプラスチック)を炭化させます。

伝統的なカーボン材料も非常に強い材料ですが、強度も限られているので、落下すると衝撃で壊れることがよくあります。C/Cコンポジットは、従来の炭素材料の約3~4倍の曲げ強度を有しており、落下させても割れにくく、衝撃強度を有しています。
現在、主に航空機や自動車(主に競技用)のディスクブレーキのブレーキローター及びブレーキパッド及び自動車、二輪車のカスタムパーツ(炭素繊維強化炭素複合材料の需要の約80%は航空機ブレーキ用途です)などの領域で使用されています。ほかにも、電車のパンタグラフ用すり板、宇宙ロケットの高熱にさらされる部分に使用される耐熱タイル等も使います。

炭素繊維カーボンと車

分かりやすく説明すれば、炭素繊維を主な成分とした合成材料で車の部品を作ります。例えば、カーボンボンネット、カーボンシート、カーボンフィルムなどの部品を全部炭素繊維で制作して、構造的な工夫などによる大幅な軽量化をすることが可能となります。
物体は軽量であればあるほど、移動する際に使用するエネルギーが少なくて済むという意識を車メーカーの頭に回っています。今現在の世界では、車を軽量化、強くさせる材料が恐らくカーボンしかいないでしょう。

世界中の自動車メーカーで、軽量化を主目的とした車の開発を実施されています。最近、自動車業界では、量産車にCFRPを多用しようという動きが加速されています。例えば、ドイツのBMW社の電気自動車i3およびトヨタ自動車(株)が開発したレクサスLFAなどのキャビンへのCFRPの適用部位トそれぞれの技術が示されています。
マッスルカーなどにも軽量化としてカスタムに取り組まれております。

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誰もが知っているように、車体シェルの鉄体は鉄であると考えている人もいますが、鉄板は鉄合金に限らず、アルミ合金、高靭性材、炭素繊維材などで出来ています。 アルミニウム合金やプラスチックについては、カーボンファイバーは新しいタイプの材料ではないことを知っておくほうが良いかもしれませんが、知っている人はそれほど多くはありません。改造時にカーシェルや装飾に薄いカーボンファイバーフィルムを貼っている人もいます。 炭素繊維と言えば、炭素繊維材料を使用する車がハイエンドカーか、レーシングカーマッスルカーなど、そして個人の注文や愛好家によって改造された車かのどちらかになっていると考えられます。 炭素繊維材料がなぜそれほど人気があるのですか、それにはどんな利点がありますか?欠点があるのでしょうか?一緒に見てみましょう!

炭素繊維で車部品を作るメリット

それでは、なぜこのように炭素繊維を用いた「CFRP」という材料が注目されているのでしょうか。理由があります。【1.軽量、2.高強度・高剛性、3.設計自由度が高い】三つのメリットがあります。

1.軽量

今の自動車全体の車体は基本的に鋼鉄によって構成されています。自動車の鋼鉄の材料はすべて炭素繊維に変えられるならば、車の車体の品質は300キロを軽減することができて、エネルギー消費が低下して、全体の自動車の効率が向上して、CO 2排出量も明らかに制御することができます。
このような材料はスーパーランニングやレーシングで最も直感的な変化をもたらすのは、車の重さの低下であり、動力システムの不変の前提の下で、減量した車体はより優れた加速感をもたらす。エアコン、音響などの配置の減量方法に対して、炭素繊維材料の応用は快適な配置を保持すると同時により良い効果を達成している、炭素繊維複合材料の応用自動車の車体、ベース盤は重さを40~60 %軽減することができ、鋼構造の重さの1/3~1/6に相当します。

CFRPの複合材料とアルミニウムという品質の最も軽い金属の1つについては、比較すると、基本的な仮定によって、同じ強度のアルミ材、その重さは炭素繊維体の1.5倍です。
そのため、炭素繊維は自動車業界での応用は自動車業界の今後の発展の重要な方向です。

2.高強度・高剛性

自動車の軽量化への炭素繊維の貢献は疑いようがありませんが、より軽い品質はより低い強度を意味しますか? 答えはノーです!CFRP複合材料は重さは軽いが、ガラス繊維複合材料などに比べて、各単位の重さのCFRP複合材料はより高い強度と大きな硬度を持ちます。炭素繊維複合材料の引張強度は一般に3500MPa以上で、鋼の7~9倍です。引張弾性率は23,000~43,000MPaであり、スチールよりも高いです。金属材料と比べて、その利点はさらに際立っております。軸方向の強度は優れていますが、車両の安全要件を満たすのに十分です。 「厚い鋼板は高い安全性を意味する」という記述自体はそれほど正確ではありません。車体の安全レベルを決定する主な要因は、フレームの構造と強度を調べる事です。したがって、炭素繊維材料の適用は、車両の安全性能とほとんど関係がありません。
それは、なぜすべての自動車メーカーが炭素繊維を使って鋼材の代わりに製品の性能を向上させる事を、研究しているのか想像する事が出来ます。

3.設計自由度が高い

力学の性能の上で言うと、炭素繊維の軸の方向と方向の強度は異なっていて、力は繊維の軸の方向に沿って非常に高い強さがあって、まっすぐに向いているのはとても小さいです。
そのため、自動車部品を作る時、炭素繊維のこの力学の特徴によって、積層技術を利用して炭素繊維に対して合理的な配列と敷設を行うことができ、また、自動車部品の受力や荷重要求を達成するため、特に新型の炭素布の開発に従って、構造設計上では、ほとんど制限なく最適化する事が出来ます。
しかし、金属材料の自動車部品は基本的に合金の配合において固定されており、その機械的性質は大きくは変化しておらず、さらに溶接技術およびパイプ形成プロセスの制限の為に、形状および構造の設計に多くの制限がある。もちろん、炭素繊維の複合材料は製造の上でまだ多くの技術の問題が存在して、多くの難題を攻める必要があります。

炭素繊維で車部品を作るデメリット

1.高コストと高価格

もちろん、すべてが完璧という訳ではなく、長所と短所があります。これらの中で最も明白なのは、高コストと高価格です。 炭素繊維の製造およびその後の加工は極めて費用がかかる。 BMW i3、i8がなぜブランド価値、電力技術などに加えてそれほど高価なのかを理解するのは難しくありません。ボディもかなりのシェアを占めています。
CFRP複合材料の優れた特性にも関わらず、炭素繊維が製品製造に広く使用されていないのは何故ですか? それは、今の世界では、CFRP複合材料の製造コストは高すぎます。 現在の市場の状況(需要と供給)に応じて、炭素繊維の種類(航空宇宙対商業用グレード)、繊維束のサイズは異なり、繊維の価格の差も雲泥のごとし。
炭素繊維1ポンドあたりの原材料の価格は、ガラス繊維の価格の5~25倍の範囲で変動します。 鋼と比較して、CFRP材料の高コストはより顕著です。

2.リサイクル難しい

言及される必要があるもう一つの問題はリサイクル問題です。 現在のところ、炭素繊維複合材料を回収するための良い解決策はなく、それが再利用できなければ環境を汚染するでしょう。 国内外の多くのチームがこの問題に注意を払っており、良い解決策を見つける為に一生懸命取り組んでいます。

3.導電性が優れる

これは炭素繊維複合材料の利点としても、実際の応用中の一つの欠陥にもなるかもしれません。炭素繊維は導電性が非常に強いが、ガラス繊維は絶縁しています。多くの製品はガラス繊維を使用していて、炭素繊維や金属の代わりに使用できないのは、厳しい絶縁性を求めているからです。

公共施設の生産では、多くの製品がガラス繊維を使用しなければなりません。ハシゴの生産ではガラス繊維を使って台棚として使用しています。なぜなら、ガラス繊維梯子が電力線と接触しているときには、感電の可能性がはるかに低いからです。炭素繊維のハシゴは非常に導電性があり、その結果は想像できません。

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まとめ

自動車の炭素繊維の応用は自動車の軽量化を実現すると同時に十分な自動車の剛性需要を満たす事が出来て、省エネルギーの排出を減らす世界的な需要に達することが出来るだけでは無くて、公衆の関係を満たすという燃費の問題を満たす事が出来ます。
炭素繊維材料は将来の自動車の主流材料になる事が出来るが、優秀な製品は常にコストが高すぎて、小さい部品の価格が何十万円に維持されているため、コストを下げることができれば、炭素繊維材料が主流材料になる事が出来ます。
炭素繊維複合材料のコストが高いにも関わらず、科学技術の進歩に伴い、より多くの高効率製品の出現が期待されています。もしかすると生きているうちに、我々は消費者市場、工業生産および自動車製造における高性能炭素繊維製品の広範囲の応用を目撃する事が出来るでしょう。
将来の車体が炭素繊維の複合材料を採用するかどうかについては、これはまだ時間が掛かるでしょう。しかし、現在のところ、この傾向がある。炭素繊維複合材料の欠点を解決できるかどうか、またはそれらの長所と短所をどのようにバランスさせるかが重要です。将来にかかわらず、車体の開発は確実に正しい方向に進んでおり、最終的に利益を得るのか、消費者になるのかに違いません。

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