複合材料の継続的な発展に伴い、ガラス繊維強化プラスチックに加え、炭素繊維強化プラスチック、ホウ素繊維強化プラスチックなどが登場しました。炭素繊維強化ポリマー複合材料（CFRP）は、軽量かつ高強度な材料であり、私たちの日常生活で使用する多くの製品の製造に用いられています。これは、炭素繊維を主成分とする繊維強化複合材料を表す用語です。
目次：
1. 炭素繊維強化ポリマー構造
2. 炭素繊維強化プラスチックの成形方法
3. 炭素繊維強化ポリマーの特性
4. CFRPの利点
5. CFRPの欠点
6．炭素繊維強化プラスチックの用途
炭素繊維強化ポリマー構造
炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維材料を一定方向に配列し、ポリマー材料で結合して作製した材料です。炭素繊維の直径は約7ミクロンと極めて細いですが、非常に高い強度を有しています。
炭素繊維強化複合材料の最も基本的な構成要素は、炭素繊維フィラメントです。炭素繊維フィラメントの基本的な原料は、プレポリマーであるポリアクリロニトリル（PAN）、レーヨン、または石油ピッチです。これらの炭素繊維フィラメントは、化学的および機械的な方法によって炭素繊維織物に加工され、炭素繊維部品として使用されます。
結合ポリマーとしては通常、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が用いられる。ポリ酢酸ビニルやナイロンなどの他の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が使用される場合もある。炭素繊維に加えて、複合材料にはアラミドQ、超高分子量ポリエチレン、アルミニウム、またはガラス繊維が含まれることもある。最終的な炭素繊維製品の特性は、結合マトリックスに添加される添加剤の種類によっても影響を受ける。
炭素繊維強化プラスチックの成形方法
炭素繊維製品は、主に製造工程の違いによって種類が異なります。炭素繊維強化ポリマー材料を成形する方法は数多く存在します。
1. 手作業による積層法
乾燥法（事前に準備された工場）と湿式法（繊維布と樹脂を接着して使用する）に分けられます。ハンドレイアップは、圧縮成形などの二次成形プロセスで使用するプリプレグを準備するためにも使用されます。この方法では、炭素繊維布のシートを金型に積層して最終製品を形成します。結果として得られる材料の強度と剛性特性は、繊維の配向と織り方を選択することによって最適化されます。次に、金型にエポキシ樹脂を充填し、熱または空気で硬化させます。この製造方法は、エンジンカバーなどの応力のかからない部品によく使用されます。
2. 真空成形法
積層プリプレグの場合、特定の工程を経て圧力を加え、金型に密着させ、一定の温度と圧力下で硬化・成形する必要があります。真空バッグ成形法では、真空ポンプを用いて成形バッグ内部を排気し、バッグと金型の間に負圧を発生させることで、複合材料を金型に密着させます。
真空バッグ成形法を基に、後に真空バッグ・オートクレーブ成形法が開発されました。オートクレーブは、真空バッグのみの成形法よりも高い圧力と熱硬化を部品に与えます（自然硬化とは異なります）。このようにして成形された部品は、より緻密な構造を持ち、表面品質が向上し、気泡を効果的に除去できるため（気泡は部品の強度に大きく影響します）、全体的な品質が向上します。実際、真空バッグ成形の工程は、携帯電話のフィルム貼り付け工程と似ています。気泡の除去が重要な作業となります。
3. 圧縮成形法
圧縮成形は、大量生産に適した成形方法です。金型は通常、上部と下部の2つの部分から構成され、それぞれ雄型と雌型と呼ばれます。成形工程は、プリプレグで作られたマットを金属製の対向型に入れ、一定の温度と圧力を加えることで、マットが金型キャビティ内で加熱・可塑化され、圧力によって流動し、金型キャビティを満たし、その後、成形・硬化して製品を得るというものです。ただし、この方法は、金型に非常に高精度なCNC加工が必要となるため、従来の方法よりも初期費用が高くなります。
4. 巻線成形
複雑な形状の部品や回転体形状の部品の場合、フィラメントワインダーを使用して、フィラメントをマンドレルまたはコアに巻き付けて部品を製造できます。巻き付けが完了したら、硬化させてマンドレルを取り外します。例えば、サスペンションシステムで使用される管状のジョイントアームは、この方法で製造できます。
5. 樹脂トランスファー成形
樹脂トランスファー成形（RTM）は、比較的普及している成形方法です。その基本的な手順は以下のとおりです。
1. 用意した不良炭素繊維布を型に入れ、型を閉じます。
2. 液体熱硬化性樹脂を注入し、補強材に含浸させて硬化させる。
炭素繊維強化ポリマーの特性
（１）高強度で優れた弾性。
炭素繊維の比強度（引張強度と密度の比）は、鋼鉄の6倍、アルミニウムの17倍です。比弾性率（ヤング率と密度の比、物体の弾性を示す指標）は、鋼鉄やアルミニウムの3倍以上です。
高い比強度を持つため、大きな使用荷重に耐えることができます。最大使用圧力は350kg/cm²に達します。さらに、純粋なF-4やその編組よりも圧縮性と弾力性に優れています。
（２）優れた疲労耐性および耐摩耗性。
その耐疲労性はエポキシ樹脂や金属材料よりもはるかに高い。グラファイト繊維は自己潤滑性があり、摩擦係数が小さい。摩耗量は一般的なアスベスト製品やF-4編組材の5～10分の1である。
（３）優れた熱伝導性と耐熱性。
炭素繊維強化プラスチックは熱伝導性に優れており、摩擦によって発生した熱を容易に放散します。内部が過熱したり熱を蓄積したりしにくく、動的なシール材として使用できます。空気中では、-120～350℃の温度範囲で安定して動作します。炭素繊維中のアルカリ金属含有量を減らすことで、使用温度をさらに高めることができます。不活性ガス中では、約2000℃まで適応温度に達することができ、急激な温度変化にも耐えることができます。
（４）優れた耐振動性。
共振や振動を起こしにくく、振動低減や騒音低減にも優れた素材です。
CFRPの利点
1. 軽量
従来のガラス繊維強化プラスチックは、連続ガラス繊維を使用し、ガラス繊維含有量は70%（ガラス重量／総重量）で、密度は通常0.065ポンド/立方インチです。一方、同じ70%の繊維含有量を持つCFRP複合材の密度は通常0.055ポンド/立方インチです。
2. 高強度
炭素繊維強化ポリマーは軽量であるだけでなく、単位重量あたりの強度と剛性がガラス繊維強化ポリマーよりも高い。金属材料と比較すると、この利点はより顕著である。
CFRPの欠点
1. 高コスト
炭素繊維強化プラスチックの製造コストは非常に高額です。炭素繊維の価格は、現在の市場状況（需給）、炭素繊維の種類（航空宇宙用か商用用か）、繊維束のサイズによって大きく変動します。重量比で比較すると、バージン炭素繊維はガラス繊維の5～25倍も高価になることがあります。鋼鉄とCFRPを比較すると、この価格差はさらに大きくなります。
2. 導電率
これが炭素繊維複合材料の長所と短所です。用途によってどちらが優れているかは異なります。炭素繊維は非常に導電性が高く、ガラス繊維は絶縁性があります。多くの製品では、厳しい絶縁性が求められるため、炭素繊維や金属の代わりにガラス繊維が使用されています。一方、公共事業の製造においては、多くの製品でガラス繊維の使用が求められます。
炭素繊維強化プラスチックの用途
炭素繊維強化ポリマーの用途は、機械部品から軍事材料まで、生活のあらゆる場面で幅広く用いられている。
（１）密封包装として
炭素繊維強化PTFE材料は、耐腐食性、耐摩耗性、耐高温性に優れたシールリングやパッキンに加工できます。静的シールに使用した場合、耐用年数は一般的な油浸アスベストパッキンの10倍以上と長寿命です。負荷変動や急速冷却・急速加熱下でもシール性能を維持できます。また、腐食性物質を含まないため、金属に孔食が発生することもありません。
（２）研削部品として
自己潤滑性を活かし、特殊用途のベアリング、ギア、ピストンリングとして使用できます。例えば、航空計器やテープレコーダー用の無油潤滑ベアリング、電気式ディーゼル機関車の無油潤滑ギア（油漏れによる事故を防ぐため）、コンプレッサーの無油潤滑ピストンリングなどです。さらに、無毒性という特性を活かし、食品・医薬品業界では滑り軸受やシールとしても使用できます。
（３）航空宇宙、航空、ミサイルの構造材料として。航空機の製造において、機体の軽量化と飛行効率の向上を目的として初めて使用された。また、化学、石油、電力、機械などの産業において、回転式または往復式の動的シール材、あるいは各種静的シール材として使用されている。
鄭曦はプロフェッショナルです中国の油圧プレス工場高品質の複合油圧プレスCFRP製品の成形用。
投稿日時：2023年5月25日
