炭素繊維

読み方: たんそせんい
英語名: Carbon fiber
分類: ビジネス・産業|材料

炭素繊維は、ほとんど炭素だけからできている高強度・軽量の素材(繊維)をいいます。これは、アクリル樹脂や石油・石炭から取れるピッチ等の有機物を繊維化して、その後に特殊な熱処理工程を経て作られる微細な黒鉛結晶構造を持つ繊維状の炭素物質です。その炭素の含有量は、標準弾性率の炭素繊維で90%以上、高弾性率の炭素繊維ではほぼ100%で、炭素以外の主な元素は窒素などとなっています。また、製造面では、「ポリアクリロニトリル(PAN)繊維」あるいは「ピッチ繊維」といった有機繊維を不活性雰囲気中で蒸し焼きにし、炭素以外の元素を脱離させて作ります。現在、市販されている炭素繊維の90%以上は、PAN繊維を原料とするPAN系炭素繊維ですが、これは性能やコスト、使い易さなどのバランスがピッチ系炭素繊維に比べて優れているためだそうです。

一般に炭素繊維の最大の特長は、「軽くて強いこと」で、具体的には、比重が1.8前後と鉄の7.8に比べて約1/4、アルミの2.7やガラス繊維の2.5と比べても軽い材料で、さらに強度や弾性率に優れ、引張強度を比重で割った比強度が鉄の約10倍、引張弾性率を比重で割った比弾性率が鉄の約7倍と優れています。このような特長から、炭素繊維が従来の金属材料を置き換える「軽量化材料」として本命視されており、さらに疲労しない、錆びない、化学的・熱的に安定しているといった様々な特性があり、また厳しい条件下でも、その特性が長期的に安定した「信頼性の高い素材」となっています。通常、単独で使用されることは稀で、樹脂・セラミックス・金属などを母材とする複合材料の強化および機能性付与材料として利用されます。また、その優れた機械的性能(高比強度、高比弾性率)と、炭素質であることから得られる特徴(低密度、低熱膨張率、耐熱性、化学的安定性、自己潤滑性など)を併せ持つため、現在、様々な用途に幅広く使われています。

日本の炭素繊維の商業生産は、1970年代初期からPAN系とピッチ系(等方性)で本格的にスタートし、当初はゴルフクラブなどスポーツ向けに実用化が図られ、また1980年代後期からは異方性ピッチ系炭素繊維が加わり、国内メーカーによる技術改良や事業拡大が進みました。そして、今日では、日本の炭素繊維生産は、品質・生産量共に世界一の実績を誇っており、その需要と用途は拡大し、その中でも、航空機や自動車などで重量を軽くして燃費性能を向上する素材として大きく期待されています。