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出典(authority):フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』「2017/03/12 12:43:20」(JST)

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炭素繊維

炭素繊維（たんそせんい、英: Carbon fiber）は、アクリル繊維またはピッチ（石油、石炭、コールタールなどの副生成物）を原料に高温で炭化して作った繊維。JIS規格では「有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理して得られる、質量比で90%以上が炭素で構成される繊維。」と規定されている^[1]。アクリル繊維を使った炭素繊維はPAN系（Polyacrylonitrile）、ピッチを使った炭素繊維はピッチ系（PITCH）と区分される^[2]。炭素繊維を単独の材料として利用することは少なく、合成樹脂などの母材と組み合わせた複合材料として用いることが主である。炭素繊維を用いた複合材料としては炭素繊維強化プラスチック、炭素繊維強化炭素複合材料などがある。

特徴

炭素繊維の長所を一言で言うと、「軽くて強い」という点である。鉄と比較すると比重で1/4、比強度で10倍、比弾性率が7倍ある^[2]^[3]。その他にも、耐摩耗性、耐熱性、熱伸縮性、耐酸性、電気伝導性に優れる。短所としては、製造コストの高さ^[4]、加工の難しさ、リサイクルの難しさが挙げられる。また、素材自体が異方性を持ち、どういった形で積層するかか、また、損傷を受けた場合の破損の判断が難しく、クリティカルな状況での使用は細心の注意が必要である。

歴史

1959年 - ユニオン・カーバイドの子会社ナショナル・カーボンが、レーヨンから黒鉛にする世界初の炭素繊維を発明した。現在、このレーヨン系は廃れている^[5]。
1961年 - 通商産業省工業技術院大阪工業試験所（現産業技術総合研究所）の進藤昭男によりPAN系炭素繊維が発明される^[6]^[7]^{[注釈 1]}。
1963年 - 群馬大学の大谷杉郎によりピッチ系炭素繊維が発明される^[8]。
1970年代以降 - 優れた強度を持つ特性から、強化プラスチックの補強材や複合材料の素材として使われ始めるようになる。
1980年代以降 - 製造コストの低減や加工方法の進歩が見られ、ロケットや航空機などの大型輸送機器からテニスラケットや釣り竿、白杖など身近な道具、さらには剣道の竹刀や弓道の弓など、武道の分野にまで応用の幅を広げた。
2006年 - PAN系世界最大手の東レが、ボーイングと炭素繊維を機体の大部分に利用する世界初の旅客機（ボーイング787）開発のため、炭素繊維を2021年までの16年にわたって供給する長期大型契約を締結し、注目を集めた。

PAN系炭素繊維

PAN系炭素繊維の単繊維は太さは5-7μmである。この多数の単繊維で構成された繊維束をフィラメントと呼び、さらに1,000本から数万本のフィラメントの束をトウと呼ぶ。このトウがPAN系炭素繊維の製品形態としてもっともよく扱われている。

トウは、そのフィラメントの本数の多寡により区分されており、24,000本以下でレギュラートウあるいはスモールトウ、40,000本以上でラージトウと呼ばれる。レギュラートウは低密度、高比強度、高比弾性率で、航空機や人工衛星の材料や、ゴルフ用シャフト、釣り竿、テニスラケットといったスポーツ・レジャー用途で多く使われている。一方のラージトウは、レギュラートウに比較的して安価なため、風車や自動車などの材料など産業用として主に利用されている。

PAN系炭素繊維の2010年の全世界生産量は、レギュラートウが55,300トン、ラージトウが14,800トンで合計70,100トンと推計されている^[9]^[10]^[11]。

PAN系炭素繊維の製造方法

PAN系炭素繊維は以下の工程で連続的に製造される^[2]^[9]^[12]。

PAN繊維合成：アクリロニトリルからポリアクリロニトリル繊維（PAN繊維）を重合する。
耐炎化工程：空気中で200-350℃で数時間^[4]熱処理する。この工程は不融化、安定化とも言う。
炭素化工程：窒素などの不活性ガス雰囲気下1,000-1,500℃で加熱する。
黒鉛化工程：窒素などの不活性ガス雰囲気下2,000-3,000℃で加熱する。この工程で強度は若干低下する^[13] が、高弾性の炭素繊維を製造できる。高弾性を目的としない汎用の炭素繊維の製造では含まれない工程である。黒鉛化工程を経た炭素繊維を黒鉛繊維と呼び、汎用の炭素繊維と区別する場合もある。
表面処理工程
サイジング処理工程

ピッチ系炭素繊維

ピッチ系炭素繊維の単繊維の太さは7-10μmである。ピッチ系炭素繊維は原料の違いによりさらに等方性ピッチ系とメソフェーズピッチ系に分類される。一般的に等方性ピッチ系からは汎用の炭素繊維が、メソフェーズピッチ系からは高強度、高弾性率の炭素繊維が製造される。

等方性ピッチ系炭素繊維は高い柔軟性、低熱伝導性、優れた摺動特性から、高温炉用の断熱材や自動車のブレーキパッド・クラッチ材に用いられる。一方、メソフェーズピッチ系炭素繊維は高弾性率、優れた振動減衰特性、高熱伝導性、低熱膨張率といった特徴があり、印刷用・フィルム用などの工業用ロール部材、薄型テレビ用大型板ガラスの搬送用ロボットアーム、人工衛星用部材などに使われている^[8]^[14]。

メーカー

日本発の技術であり、現在でも世界市場に占める日本企業製品のシェアは高い。

PAN系メーカー

東レ
東邦テナックス
三菱レイヨン
Hexcel
Cytech
SGLカーボン

ピッチ系メーカー

三菱樹脂
クレハ
大阪ガスケミカル
日本グラファイトファイバー

注釈

^ 特許出願（特願昭34-028287号、特公昭37-004405号）は1959年9月にさかのぼるが、論文により公知となった1961年が発明年として紹介されることが多い

出典

^ JIS L 0204-2 繊維用語（原料部門）－第2部：化学繊維
^ ^a ^b ^c 三菱化学グループのプラスチック、トピックス「CFRP（炭素繊維強化プラスチック）－PAN系とピッチ系－」、2010年10月19日掲載、2011年10月17日閲覧
^ そもそも炭素繊維って？、TORAYCA、炭素繊維とは、2011年10月18日閲覧
^ ^a ^b 「カーボンファイバーってなんでこんなに高価なの？」、ギズモード・ジャパン、2011年10月1日掲載、2011年10月18日閲覧
^ 志村幸雄『誰が本当の発明者か』講談社
^ 立林康巨「PAN系炭素繊維の現状と将来」炭素繊維協会第23回複合材料セミナー資料(PDFファイル)、2010年6月29日掲載、2011年10月17日閲覧
^ 「PAN系各社の炭素繊維開発の歴史」(PDFファイル)、炭素繊維協会、2010年6月29日掲載、2011年10月18日閲覧
^ ^a ^b 深川敏弘「ピッチ系炭素繊維の現状と将来」(PDFファイル)、炭素繊維協会第24回複合材料セミナー資料、2011年8月21日掲載、2011年10月18日閲覧。
^ ^a ^b 「航空機材料としての炭素繊維適用の動向について」(PDFファイル)、(財)航空機国際共同開発基金、航空機等に関する解説概要、2007年度掲載、2011年10月18日閲覧
^ FAQ、炭素繊維協会、2011年10月18日閲覧
^ 河村雅彦「ＰＡＮ系炭素繊維の現状と将来」(PDFファイル) 、炭素繊維協会第24回複合材料セミナー資料、2011年8月21日掲載、2011年10月18日閲覧
^ 東邦テナックス、炭素繊維事業「炭素繊維とは」、2011年10月17日閲覧
^ 村上陽太郎「炭素繊維の製法、構造及び性質」(財)大阪科学技術センター付属ニューマテリアルセンター、NMCニュース2005年4月号、No.37－PDFファイル、2011年10月18日閲覧
^ よくある質問FAQ、東邦テナックス、炭素繊維事業、2011年10月18日閲覧