炭素繊維とは何ですか?
炭素繊維は、網目状構造を有するグラファイト状の長鎖炭素単位である。炭素の長鎖ネットワーク単位は、炭素原子のカテネーション特性、つまり、同様の元素の原子の結合によって発生します。
トーマス・エルバ・エジソンは、天然綿を使用して電球の電気フィラメントのテスト用に最初のカーボンフィラメントを作成したとされています。
前駆体は、炭素繊維の製造に利用される原料要素です。
カーボンファイバーはどのように作られるのでしょうか?
ほとんどの炭素繊維は、ポリアクリロニトリル (PAN) と呼ばれるプロセスで作られています。その過程で、繊維シートは非常に高い熱にさらされるため、カーボン自体を除くほぼすべてが焼き尽くされます。
通常の炭素繊維を製造する手順:
1: 重合: 長鎖ポリマーを作成するには、前駆体を重合させます。
2: 紡糸: その後、ポリマーを長い繊維に紡糸します。化学的および機械的手順が一般的に使用されます。
３：酸化：空気中で加熱することで繊維を安定化させます。空気中から酸素を吸収し、高度な原子再配列プロセスを経て繊維を安定化します。
4: 炭化: 酸素の非存在下で酸化され安定化された繊維を高温処理すると、非炭素原子の損失が促進され、密に詰まった炭素繊維が得られます。
5: 表面処理: 炭化繊維は結合力が低いため、エポキシ樹脂と融合して複合材料を生成することが困難です。この結合能力を得るために、表面は適切な化学薬品で処理されます。
6: サイジング: 保護のため、繊維はエポキシ、ナイロン、ポリエステルなどの材料でコーティングされています。これをサイジングと呼びます。
次に、炭素繊維の生シートは他の金属と結合され (炭素繊維の導電性を理解する上で重要な部分)、得られた化合物は化学プロセスを使用して処理およびサイジングされます。
このプロセスは複雑なため、費用がかかります。
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カーボンファイバーはそれ自体で導電性を持っていますか?
いいえ、炭素繊維は、熱伝導性も電気伝導性も、他のものと組み合わせていない状態ではあまり伝導性がありません。
熱伝導率（熱を伝える能力）に関しては、カーボンファイバーは平均的です。比較的高品質な炭素繊維はシリコンと同程度の熱伝導率を持ち、最高級の炭素繊維であっても伝導率はアルミニウムより劣ります。
従来のカーボンファイバーは、電気伝導性に関しては若干優れていますが、それでもほとんどの金属ほど伝導性はありません。導電体として使用する場合は、炭素繊維を他の金属と織り合わせたり、ダイヤモンドやグラファイトなどのより導電性の高い炭素同素体を作成したりして、炭素繊維を改質するのが最善です。
カーボンファイバーの導電性を高めるにはどうすればよいでしょうか?
導電性を高めるには、炭素繊維を分離した後、他の材料で処理する必要があります。導電性を高めるためにカーボンファイバーと組み合わせるのに最適な化合物は、(液体を介した) イオン導電性を備えたラテックスと、(固体を介した) 電子導電性を備えたシリカフュームです。
炭素繊維よりもはるかに熱を伝導する炭素同素体があります--、特にダイヤモンドは、普通の炭素繊維よりも最大100倍効率的に熱を伝導します。これらの同素体の作成は決して簡単ではありませんが、変換を可能にする圧力、熱、その他の化学反応を伴うプロセスが必要です。炭素繊維の準備ができたときにこれらの炭素同素体で処理すると、炭素繊維の熱伝導率が何倍にも増加します。
では、炭素繊維には導電性があるのでしょうか？基本的な状態ではそれほど変わりませんが、少しの科学で簡単に変えることができます。
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カーボンファイバーは金属と比べて導電性がありますか?
それ自体ではありません、いいえ。ただし、他の金属で処理すると、そうなります。
カーボンファイバー自体は、金属に比べて優れた電気伝導体ではありません。実際、ほとんどの金属は、普通のカーボンファイバーと同様に約 1000 倍の電気を伝導します。他の材料で処理した場合でも、炭素繊維は電気伝導性に関しては金属ほど優れていません。銀、アルミニウム、銅などの金属は特に電気を伝導するのに優れていますが、それでも、良好な電気伝導体で処理されたカーボンファイバーの約 100 倍の速さです。
熱エネルギーの伝導は別の話です。カーボンファイバーは、適切に製造され、正しく処理された場合、実際には、銅などの高伝導性金属よりも熱伝導性が高くなります。
導電性炭素繊維の用途は何ですか?
処理されたカーボンファイバーは、軽量で耐久性があるという利点を備えたヘルメットやカバンなどの高級品に使用されています。しかし、炭素繊維の導電性は、エンジニアリングや航空宇宙プロジェクトにおけるコンテナのサイディングなど、より工業的な用途で威力を発揮します。
科学は炭素繊維の導電性を改善するために今も研究を続けています。炭素繊維製品は、金属線などに比べて耐久性、耐熱性に優れ、軽量かつ小型であることから、今後導体としての利用がさらに進むことが予想されます。
カーボンファイバーには多くの驚くべき特性があります。その 1 つは、他の金属複合材料で処理した場合の熱伝導体または電気伝導体としての驚くべき能力です。
