ポリアクリロニトリル（パン）系炭素繊維は、航空宇宙、建設、スポーツ、自動車、医療分野で広く使用されている高性能材料です。この記事では、PAN系炭素繊維の国内外の開発の歴史と現状、その製造方法、構造、特性、用途についてレビューします。また、関連する規格や試験方法についても説明し、将来の展望を示します。

PAN系炭素繊維の紹介

炭素繊維は、優れた機械的特性で知られる先進的な素材です。炭素本来の特性と繊維の柔軟性および加工性を兼ね備えており、重要な強化繊維となっています。比重が鋼鉄の 4 分の 1 未満で、引張強度が一般に 3500 MPa を超える炭素繊維複合材は、鋼鉄の 7 ～ 9 倍の強度と 23,000 ～ 43,000 MPa の弾性係数を備えています。これらの特性により、炭素繊維はエンジニアリング用途で有望な素材となっています。

パン ベースの炭素繊維は、ポリアクリロニトリル、アスファルト、またはビスコースから生成され、前酸化、炭化、黒鉛化などのプロセスを経て、90% 以上の炭素含有量を持つ繊維になります。これらの繊維は、高強度、高弾性率、低密度、耐高温性、耐腐食性、耐摩擦性、導電性、低熱膨張などの特性を備えています。パン ベースの炭素繊維は、製造プロセスが簡単で総合的な性能が優れているため、最も広く使用されており、生産量の 90% 以上を占めています。

1. PAN系炭素繊維の開発状況

1.1 国際開発

パン 系炭素繊維の開発は、1959 年に日本の進藤昭夫氏がポリアクリロニトリルから高性能炭素繊維を製造するプロセスの特許を取得したときに始まりました。現在、パン 系炭素繊維の生産は、米国のラージ トウ ファイバーと日本のスモール トウ ファイバーが主流で、世界の供給量の約 80% を占めています。日本の東レ、東邦、三菱などの大手メーカーが市場をリードしており、東レは世界最大の パン 系炭素繊維メーカーです。

1.2 国内開発

中国は1960年代に炭素繊維の研究を開始し、ゆっくりと着実に進歩を遂げてきました。東レのT-300レベルに近い製品を開発しているにもかかわらず、国内の生産能力は依然として限られています。近年、安徽華湾炭素繊維などの企業が工業生産を開始しましたが、中国の炭素繊維需要の大部分は輸入によって満たされており、関連産業に大きな制約を与えています。

2. PAN系炭素繊維の製造、構造、性能

2.1 準備プロセス

パン ベースの炭素繊維は、ポリアクリロニトリル繊維 (ホモポリマーまたはコポリマー) から、重合、紡糸、予備酸化、炭化、黒鉛化などのプロセスを経て製造されます。製造には、ポリアクリロニトリル樹脂を繊維に変換し、その後、性能と安定性を高めるための処理が行われます。

2.2 構造

カーボンファイバーの特徴は"乱れた"繊維の軸に沿って積み重ねられたグラファイト微結晶の構造が、繊維の性能に影響を与えます。層間の間隔と空隙の存在が繊維の特性に影響を与えます。

2.3 パフォーマンス特性

炭素繊維は、高引張強度、高弾性率、低密度、耐高温性、耐腐食性などのユニークな特性を備えています。また、優れた耐疲労性、低熱膨張性、良好な導電性、生体適合性も備えています。

3. PAN系炭素繊維の用途

3.1 航空宇宙

パン ベースの炭素繊維複合材料は、高い強度対重量比と剛性を備えているため、ミサイル、ロケット、衛星、航空機などの航空宇宙用途に不可欠です。

3.2 スポーツおよび医療機器

炭素繊維複合材は、ゴルフクラブ、テニスラケット、自転車などのスポーツ用具のほか、医療用インプラントや医療機器にも広く使用されています。

3.3 一般産業

自動車業界では、炭素繊維は車両のフレーム、ピストン、ブレーキ システムに使用されています。また、風力エネルギー、電子機器、インフラストラクチャでも役割を果たし、さまざまなコンポーネントの強度と耐久性を高めています。

4. PAN系炭素繊維の規格

中国では、炭素繊維の性能と複合材料への応用に関して、次のようないくつかの規格が制定されています。

• イギリス/T 3362-2005: 炭素繊維マルチフィラメント糸の引張特性。

• イギリス 3362-1982: 炭素繊維マルチフィラメント糸の繊維数を試験する方法。

• イギリス 3364-1982: 直径および相当直径の試験方法。

• イギリス/T 3355-2005: 炭素繊維強化プラスチックの樹脂含有量試験。

これらの規格により、炭素繊維製品の品質と一貫性が保証され、より広範な採用と応用が促進されます。

5. 今後の展望

炭素繊維産業は、鉄鋼時代から複合材料の新時代へと移行する現代の材料用途にとって極めて重要です。先進技術と産業用途における炭素繊維の役割は、継続的な研究開発によって拡大し続けるでしょう。これを達成するには、中国は技術的な課題を克服し、生産プロセスを改善して輸入への依存を減らし、国内の能力を強化することに注力する必要があります。