21世紀の新素材の王様とも言われるカーボンファイバーは、まさに輝かしい真珠のような素材です。カーボンファイバー（CF）は、炭素含有率が90％以上の無機繊維の一種です。有機繊維（ビスコース系、ピッチ系、ポリアクリロニトリル系繊維など）を高温で熱分解・炭化させて炭素骨格を形成します。
新世代の強化繊維であるカーボンファイバーは、優れた機械的および化学的特性を備えています。カーボン素材本来の特性だけでなく、織物繊維のような柔らかさ、加工性も兼ね備えています。そのため、航空宇宙、エネルギー機器、輸送、スポーツ、レジャーの分野で広く使用されています。
軽量：優れた性能を備えた戦略的新素材である炭素繊維の密度はマグネシウムやベリリウムとほぼ同じで、鋼鉄の1/4以下です。構造材料として炭素繊維複合材料を使用すると、構造重量を 30% ～ 40% 削減できます。
高強度および高弾性率: 炭素繊維の比強度は鋼鉄の 5 倍、アルミニウム合金の 4 倍です。比弾性率は他の構造材料の1.3～12.3倍です。
小さい膨張係数：ほとんどの炭素繊維の熱膨張係数は室温ではマイナス、200〜400℃では0、1000℃×10-6 / K未満ではわずか1.5であり、高い加工により膨張および変形しにくい。温度。
優れた化学的耐食性：炭素繊維は純炭素含有量が高く、炭素は最も安定した化学元素の1つであり、その結果、酸およびアルカリ環境において非常に安定した性能を示し、あらゆる種類の化学的耐食性製品を製造することができます。
強力な耐疲労性: 炭素繊維の構造が安定しています。ポリマーネットワークの統計によると、数百万サイクルの応力疲労試験の後でも、複合材料の強度維持率は依然として60%であるのに対し、鋼鉄の強度維持率は40%、アルミニウムは30%、ガラス繊維強化プラスチックはわずか20%です。 % – 25%。
炭素繊維複合材は炭素繊維を再強化したものです。炭素繊維は単独で使用すると特定の機能を発揮しますが、結局のところ脆い素材です。マトリックス材料と組み合わせてカーボンファイバー複合材を形成する場合にのみ、その機械的特性をより適切に発揮し、より多くの荷重に耐えることができます。
炭素繊維は、前駆体の種類、製造方法、性能などのさまざまな側面に従って分類できます。
前駆体の種類によると、ポリアクリロニトリル (Pan) ベース、ピッチベース (等方性、メソフェーズ)。ビスコースベース（セルロースベース、レーヨンベース）。中でもポリアクリロニトリル（Pan）系炭素繊維が主流であり、その生産量は炭素繊維全体の90％以上を占め、ビスコース系炭素繊維は1％未満に過ぎません。
製造条件と方法による：炭素繊維（800〜1600℃）、黒鉛繊維（2000〜3000℃）、活性炭繊維、気相法炭素繊維。
機械的性質により、一般タイプと高性能タイプに分けられます。一般タイプの炭素繊維の強度は約1000MPa、弾性率は約100GPaです。高機能タイプは高強度タイプ（強度2000mPa、弾性率250gpa）と高機種（弾性率300gpa以上）に分けられ、このうち強度4000mpa以上のものを超高強度タイプ、弾性率450gpa以上のものを超高強度タイプと呼びます。いわゆるウルトラハイモデル。
トウのサイズに応じて、スモールトウとラージトウに分けることができます。スモールトウ炭素繊維は初期段階では主に1K、3K、6Kで、徐々に12Kと24Kに開発され、主に航空宇宙、スポーツに使用されます。そしてレジャーフィールド。48Kを超える炭素繊維は通常ラージトウ炭素繊維と呼ばれ、48K、60K、80Kなどがあり、主に産業分野で使用されています。
炭素繊維の特性を評価する主な指標として、引張強度と引張弾性率があります。これに基づいて、中国は 2011 年に PAN 系炭素繊維の国家規格 (GB / t26752-2011) を公布しました。同時に、世界の炭素繊維業界における東レの絶対的な優位性により、ほとんどの国内メーカーも東レの分類基準を採用しています。参考として。
1.2の高いバリアが高い付加価値をもたらします。工程改善と量産化により大幅なコスト削減と効率化が可能
1.2.1 業界の技術的障壁は高く、前駆体の製造が核心であり、炭化と酸化が鍵となります
炭素繊維の製造工程は複雑で、高度な設備と技術が必要です。各リンクの精度、温度、時間の制御は、最終製品の品質に大きな影響を与えます。ポリアクリロニトリル炭素繊維は、比較的簡単な製造プロセス、低い生産コスト、および 3 つの廃棄物の処理が容易であるため、現在最も広く使用されており、最も生産量の高い炭素繊維となっています。主原料のプロパンは原油から製造でき、PAN 炭素繊維産業チェーンには一次エネルギーから最終用途までの完全な製造プロセスが含まれます。
原油からプロパンを製造した後、プロパンの選択的接触脱水素 (PDH) によってプロピレンが得られました。
アクリロニトリルは、プロピレンのアンモ酸化によって得られた。ポリアクリロニトリル (Pan) 前駆体は、アクリロニトリルの重合と紡糸によって得られました。
ポリアクリロニトリルは低温および高温で予備酸化され、炭化されて炭素繊維が得られます。炭素繊維は、炭素繊維複合材料の製造用の炭素繊維織物および炭素繊維プリプレグに製造できます。
炭素繊維を樹脂、セラミックス、その他の材料と組み合わせて炭素繊維複合材料を形成します。最後に、下流用途向けの最終製品は、さまざまな成形プロセスによって得られます。
前駆体の品質と性能レベルは、炭素繊維の最終的な性能を直接決定します。したがって、高品質の炭素繊維を製造するには、紡糸溶液の品質を向上させ、前駆体形成要素を最適化することが重要なポイントとなります。
「ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体の製造プロセスに関する研究」によると、紡糸プロセスには主に湿式紡糸、乾式紡糸、乾式湿式紡糸の3つのカテゴリーが含まれます。現在、国内外でポリアクリロニトリル前駆体の製造には主に湿式紡糸と乾式湿式紡糸が使用されており、その中で湿式紡糸が最も広く使用されている。
湿式紡糸では、まず紡糸原液が口金穴から押し出され、紡糸原液は小流となって凝固浴に入ります。ポリアクリロニトリル紡糸液の紡糸機構は、紡糸液中のDMSO濃度と凝固浴の濃度に大きな差があり、凝固浴中の水の濃度とポリアクリロニトリル溶液の濃度にも大きな差があることです。上記の 2 つの濃度差の相互作用により、液体は 2 方向に拡散し始め、物質移動、熱移動、相平衡移動などのプロセスを通じて最終的に凝縮してフィラメントになります。
前駆体の製造においては、DMSO の残存量、繊維サイズ、モノフィラメント強度、弾性率、伸び、油分、沸騰水収縮率が前駆体の品質に影響を与える重要な要素となります。DMSOの残留量を例にとると、前駆体の見かけの性質、最終的な炭素繊維製品の断面状態、CV値に影響を与えます。DMSOの残存量が少ないほど、製品の性能は高くなります。製造においては、DMSO は主に洗浄によって除去されるため、洗浄の温度、時間、脱塩水の量、および洗浄サイクルの量をどのように制御するかが重要になります。
高品質のポリアクリロニトリル前駆体は、高密度、高結晶化度、適切な強度、円形断面、物理的欠陥が少ない、滑らかな表面、均一で緻密なスキンコア構造という特性を備えている必要があります。
炭化と酸化の温度管理が鍵となります。炭化と酸化は、前駆体から炭素繊維の最終製品を製造する際に不可欠なステップです。このステップでは、温度の精度と範囲を正確に制御する必要があります。そうしないと、炭素繊維製品の引張強度が大きな影響を受け、ワイヤーの断線につながる可能性があります。
予備酸化 (200 ～ 300 ℃): 予備酸化プロセスでは、酸化雰囲気中で一定の張力を加えることにより、PAN 前駆体がゆっくりと穏やかに酸化され、パン直鎖に基づいて多数の環構造が形成されます。高温処理に耐えるという目的を達成します。
炭化（最高温度1000℃以上）：炭化プロセスは不活性雰囲気中で実行する必要があります。炭化の初期段階では、パンチェーンが切断され、架橋反応が始まります。温度が上昇すると、熱分解反応が大量の小分子ガスを放出し始め、グラファイト構造が形成され始めます。さらに温度が上昇すると、炭素含有量が急速に増加し、炭素繊維が形成され始めました。
黒鉛化（処理温度2000℃以上）：黒鉛化は炭素繊維製造に必須のプロセスではなく、オプションのプロセスです。炭素繊維の高い弾性率が期待される場合は、黒鉛化が必要です。炭素繊維の高強度を期待する場合には黒鉛化は必要ありません。黒鉛化プロセスでは、高温により繊維が発達した黒鉛メッシュ構造を形成し、その構造が延伸によって統合されて最終製品が得られます。
高い技術的障壁により下流製品には高い付加価値が与えられており、航空用複合材の価格は生糸の 200 倍となっています。炭素繊維の製造は難易度が高く、工程が複雑なため、下流になるほど付加価値が高くなります。特に航空宇宙分野で使用されるハイエンド炭素繊維複合材料の場合、下流顧客の信頼性と安定性に対する要求が非常に厳しいため、製品価格も通常の炭素繊維に比べて幾何級数的に上昇します。
投稿時間: 2021 年 7 月 22 日