By Rebecca Phan (May 2021)
炭素繊維強化ポリマー（CFRP）と呼ばれる炭素複合材料は、非常に強度が高く、剛性も高く、軽量な材料です。1960年代に発明されて以来、CFRPはさまざまな工学分野で採用されています。航空宇宙産業における標準的な材料のひとつとなり、また土木や自動車用途でも多くの成功を収めています。またCFRPは、テニスラケットや釣り竿等の多くの消費財や技術製品にも使用されています。この解説では、CFRPがどのように作られ、どのような利点があるのかを紹介します。
CFRPは、マトリックスとその中に分散されたフィラーで構成される複合材料の一種です。CFRPの場合、フィラーは炭素繊維（一般的に92重量％以上の炭素を含む繊維と定義される）、マトリックスはポリマーです。
CFRPに使用される炭素繊維は通常、炭素原子がシート状に結合したグラファイトの小さな結晶でできています。このシート内では原子の結合が非常に強い一方で、シート間の結合ははるかに弱くなります。そのため、グラファイトは面内で高い剛性を示しますが、面に垂直な方向では剛性が低いという、非常に異方的な性質を持っています。繊維内でこれらの平面をどのように配置するかによって、繊維の特性に影響を与え、結果として炭素複合材料の特性にも影響します。グラファイト層が互いに「くしゃくしゃ」になった「ターボストラティック」構造は、特に高い引張強度を示す傾向があります。一方で、規則正しい「グラファイト」構造は高い剛性を示します。
炭素繊維は通常、ポリアクリロニトリル（PAN）や石油ピッチなどのポリマーから製造されます。これらのポリマーは細いフィラメントに成形され、スプールに巻き取られます。これら前駆体繊維を約200～400℃で熱処理すると安定化し、さらに約1000℃で熱処理すると水素、酸素、窒素などの非炭素元素が除去されて炭素繊維になります。前駆体繊維の種類や製造方法によって全く異なる特性を持つ炭素繊維を製造することができます。出来上がった炭素繊維はヤング率によって分類され、一般的に約4GPaから500GPa程度の範囲になります。なお炭素繊維は通常、炭素複合材料に組み込む前にマトリックスとの接着性を向上させるための処理が施されます。
炭素繊維はその異方性のため、繊維の配列が炭素複合材料の機械的特性に重要な影響を与えます。CFRPでは直径約5～10μmの炭素繊維が複合材料の剛性と強度に大きく寄与し、他方で周囲のポリマーマトリックスが繊維を包んで保護して繊維間の機械的負荷を伝達します。その結果として高強度、高剛性、低密度な材料となり、かつ複雑な形状に容易に成形することができます。
またCFRPに使用されるポリマーマトリックスもその材料特性に大きな影響を与えます。オムニシール・ソリューションズのCFRPは、極低温から316°Cまでの広い温度範囲で優れた機械的特性を維持し、かつ自己潤滑性を備えています。さらに優れたクリープ特性と熱伝達・導電性も有します。
オムニシール・ソリューションズは、65年以上にわたる製造の専門知識を生かして、航空 や一般産業（製缶、鍛造、圧延、押出）などの 主要産業に高性能な炭素複合材料を提供しています。同社の研究者やアプリケーションのエキスパートは、お客様と協力して、様々な材料の課題に対する独自の炭素複合材ソリューションを開発しております。炭素複合材ソリューションの詳細については、ぜひオムニシール・ソリューションズのエンジニアリング・エキスパートにお問い合わせください。
CFRPs are advanced composite materials made of carbon fibers (the filler) embedded in a polymer matrix. These polymers combine exceptional strength, stiffness, and low weight (up to 80% less than steel), making them ideal for aerospace, automotive, industrial heavy machinery, civil engineering, and consumer products (sports equipment).
CFRPs are made by combining polymer resin with carbon fibers, which are typically produced from precursor polymers such as polyacrylonitrile (PAN) or petroleum pitch. The fibers are stabilized at 200–400°C and further treated at around 1,000°C-3,000°C to remove non-carbon elements, leaving strong, lightweight carbon filaments.
Because carbon fibers are anisotropic (strongest along one direction of the fibers), their orientation in the polymer matrix directly influences the composite’s mechanical properties, i.e., maximum stiffness, strength, directional properties, and load transfer. Engineers can maximize performance, minimize weight, and prevent misalignments by customizing materials in specific paths.
CFRPs can be up to 10 times stronger than steel with a tensile strength from 550 to 700 ksi. These composites are also up to 5 times lighter than steel and about 40% lighter than aluminum, selected for aerospace and industrial applications to improve fuel efficiency, emissions, and maintenance costs.
With over 65 years of expertise, Omniseal Solutions develops high-performance carbon composites tailored for aviation, life science, and industrial applications (e.g., aircraft frames, medical devices, canning, forging, rolling mills, extrusion).
