炭素繊維の歴史

炭素繊維の歴史

電気、電球、エジソン、ベーコン

カーボンファイバーは、2 本の帯電した導電性カーボンロッドの間にアークを生成するために 1860 年に初めて使用されました。 当時、電気はちょっとしたサーカスショーのようなもので、カーボンファイバーとして知られていたものは、今日私たちが知っている高性能機能の実現とはまったく関係がありませんでした。 しかし、炭素繊維の耐熱性と導電性は照明に使用されており、「熱分解」によって炭素繊維を形成する構成要素を見つけるのに役立ちます。 1879 年、トーマス エジソンは熱分解を使用して炭素繊維フィラメントを製造し、それが最初の電球内の電極として使用されました。 これらのフィラメントは、燃焼した綿や竹繊維の不純物に由来し、最終的には電気を通す実際の炭素繊維になります。

物理学者のロジャー ベーコンが熱分解プロセスを通じて最初の高性能炭素繊維ウィスカーを製造したのは 1958 年のことです。 ベーコンは、高温高圧下でのグラファイトの溶融を研究することにより、炭素繊維で強化された六角形構造の背後にある化学を発見しました。 次に、この炭素豊富な構造を増やしてシートに成形し、繊維の長さ全体に渡って連続的に巻きます。 ベーコンのひげは、世界で知られている最も硬くて強い繊維を生成します。 数年後、ベーコンはレーヨンベースの前駆体を使用した商品を製造しました。 カーボンファイバーの機械的可能性がついに定着しつつあります。 しかし、この発見の製造コストは天文学的なものでした。 生きていくためには、

ピッチとパン

70 年代には、カーボンファイバーの想像力豊かな特性が産業現場で実現され始めました。 レナード・シンガーは、石油および石炭ベースの材料の炭化を研究することにより、「ピッチ」ベースの炭素繊維を発見しました。 ビチューメンは、石油（石油）を加熱して炭素含有量の高い物質に生成するタール状の物質です。 ピッチ分子を引き伸ばして高温処理することにより、結晶性の高い炭素繊維に配列します。 ピッチベースの炭素繊維の出現により、超高弾性率 (剛性) と高い熱伝導率が実現しました。これらはすべて、航空機内の高温にさらされる用途に必要です。 加工には非常にコストがかかりますが、シンガーのピッチベースの炭素繊維は高温用途に使用されています。

一方、日本の科学者進藤昭夫氏は、高純度の石油ベースのポリアクリロニトリル（PAN）を使用して、日本での炭素繊維研究を拡大しました。 現在最も一般的な炭素繊維前駆体である PAN は、繊維内に高レベルの結晶化度を生成しながら、ピッチやレーヨンベースの炭素繊維よりも丈夫です。 Shindo の PAN 前駆体プロセスは、ピッチやレーヨンベースの繊維よりも高品質の炭素繊維を製造する際のコスト効率も優れています。

主流に入る

1980 年代から 1990 年代にかけて、政府機関から民間顧客に至るまで、航空および航空宇宙アプリケーションに対する世界的な視点が明確に認識されるようになりました。 これにより、これらの業界における炭素繊維の選択肢が飛躍的に増加しました。 これは、航空機の重量が大幅に軽減されることで、航空機およびエンジン部品の性能と燃料効率が向上するという事実によるものです。 エンジニアは、より軽量、より強力、より高速なコンセプトに取り組み始めました。 現在、鋼ベースの合金やアルミニウム製の部品に代わる、炭素繊維素材を使用した交換部品の設計が進められています。 しかし、カーボンファイバーは、かつて金属加工で知られていたサブトラクティブ加工法と比較して、加工が難しい材料です。 炭素繊維の製造方法の学習と理解に時間がかかるにつれて、金属部品の数は減少し、新しく設計されたすべての航空機で使用されることが少なくなりました。 製造方法が進歩するにつれて、繊維自体の製造も進歩します。 これらすべてがこの形式のブラックゴールドのブームにつながり、需要が高まっています。

炭素繊維は、その製造および加工特性の向上により、現在世界中の産業分野で広く使用されています。 炭素含有量が着実に増加し、炭素含有率が 90% を超えるものもあり、強度の向上という利点を共有しながら、市場にとってのコスト効率が向上します。 エンジニアリングとプロセス制御の改善により、炭素繊維のコスト係数は大幅に低下しました。 カーボンファイバーの使用は航空宇宙用途を超え、現在ではモータースポーツ、ボート、スポーツ用品、建設、さらには家具を含む幅広い業界で実行可能なソリューションとなっています。 50 年前、カーボンファイバー製のデスクを所有するなど誰も考えていませんでした。 それだけの量の生の炭素繊維を生産するだけでも数百万ドルの費用がかかります。 現在、炭素繊維の応用は人間の想像力の範囲内に限定されています。