製造業必見！カーボン素材の種類と用途徹底解説 | XMAKE

執筆者 Lynn Xmake | 7月 31, 2024

カーボン素材は、その軽量かつ高強度な特性から、自動車や航空宇宙産業、スポーツ用品等多岐にわたる分野で活用されています。この記事では、カーボンの種類とその具体的な用途、そして製造プロセスにおけるメリットについて詳しく解説します。

カーボン素材の種類について

1.グラファイト（石墨）

• グラファイトとは：

炭素原子が六角形の平面構造を形成し、その平面が積層した構造を持っています。

• 特徴：

・高い熱伝導性

・高い電気伝導性

・潤滑性

・耐熱性

・化学的安定性

• 主な用途:

・金型材料

・潤滑剤

・電池電極

・高温炉の材料

2.カーボンファイバー（炭素繊維）

• カーボンファイバーとは：

カーボンファイバーは、炭素原子が六角形の網目状に配列した構造を持っています。この構造は、グラファイトと非常によく似ています。ただし、カーボンファイバーはグラファイトよりも無秩序に配列しており、より強固な結合を形成しています。

• 特徴：

・軽量

・高い引張強度

・耐熱性

・高い電気伝導性

・化学的安定性

• 主な用途:

・航空機や宇宙船の機体

・ロケットの部品

・自動車の車体、シャーシ、ホイール

・産業用ロボットの腕

3.カーボンナノチューブ（CNT）

• カーボンナノチューブとは

炭素原子が六角形の格子状に配列された筒状の構造を持つ物質です。直径は0.4~100nmと非常に細くて、長さは数μmから数cmと幅広いです。

• 特徴：

・高い強度と軽量性

・優れた電気伝導性

・高い熱伝導性

・化学的安定性

• 主な用途:

・電子デバイス(トランジスタ、ディスプレイ)

・複合材料(強化材、導電性フィラー)

・エネルギー貯蔵(リチウムイオン電池、燃料電池)

・センサ

・医療分野(ドラッグデリバリー、組織再生)など

4.フラーレン

• フラーレンとは

炭素原子が球状に配列した閉じた分子構造で、正12角形と正5角形の組み合わせからなります。代表的なものはC60(バッキーボール)で、直径約0.7nmです。また、C20からC960までさまざまな大きさのフラーレンが存在します。

• 特徴：

・非常に安定な構造で、化学的・熱的に安定。
・電子受容体性が高く、電子移動反応に利用できる。
・高い対称性と空洞構造を持つため、ガスや金属原子を内包できる。
・優れた潤滑性、導電性、光学特性を示す。

• 主な用途:

・電子デバイス(トランスジスタ、太陽電池)
・潤滑剤
・医療分野(ドラッグデリバリー、抗酸化剤)
・触媒
・水素貯蔵

5.ダイヤモンド

• ダイヤモンドとは

炭素原子が正四面体構造で結合した結晶構造で、1個の炭素原子が4個の炭素原子と共有結合しています。最密充填構造で、密度が高いです。

• 特徴：

・非常に硬い物質で、モース硬度が10(最高値)。
・熱伝導性が高く、ダイヤモンド中の熱は速やかに拡散する。
・電気絶縁性が高い。
・透明性が高く、光学特性に優れる。
・化学的に安定で、酸やアルカリに強い。

• 主な用途:

・切削工具、研磨剤
・宝石
・電子デバイス(半導体、熱放散材)
・光学部品(レンズ、プリズム)
・生体医療材料

6.炭素繊維強化プラスチック（CFRP）

• 炭素繊維強化プラスチックとは

炭素繊維を樹脂に強化した複合材料です。

• 特徴:

・軽量で高強度 – 鉄の約1/4の重さで、鋼材の5倍以上の強度を持つ。
・高剛性 – 金属の2~3倍の剛性がある。
・耐腐食性 – 化学薬品や海水に強い。
・耐熱性 – 高温環境でも変形しにくい。

• 主な用途:

・航空機の機体、翼、尾翼
・自動車のボディ、シャーシ、ホイール
・ゴルフクラブ、テニスラケット、自転車フレームなどのスポーツ製品
・工作機械、建設機械などの部品
・風力発電の翼、太陽光パネル

カーボン素材のメリット

軽量性

金属に比べて非常に軽量です。例えば、鉄の1/4程度の重さしかありません。これにより、輸送機器の燃費向上や、機械の動力効率の向上などが期待できます。

高強度

金属の5倍以上の強度を持っています。このため、強度が必要とされる用途で金属に代わって使用できます。

耐久性

耐腐食性に優れ、長期使用に適しています。化学薬品や海水にも強いため、過酷な環境下での使用にも向いています。

意匠性

カーボンブラックで高級感のある外観を持っています。このため、デザイン性の高い製品に使用されることが多いです。

熱・電気特性

熱や電気を良く通す特性があります。これにより、ヒーターや電子部品などへの応用が期待されています。

カーボン素材の製造業への活用事例

• カーボン素材の自動車産業への活用

カーボン・ファイバーは、自動車の製造においてシャシー・コンポーネントやBMW M Performance Partsといったアクセサリーなどに使用される複合素材です。

従来の材料をCFRPに置き換えることで、強度を保ちながら車体の軽量化が可能となります。炭素繊維協会による過去のモデル検討では、CFRPを17%適用すると30％の車体軽量化が期待できます。

自動車はCFRPを採用することで、スチールと比べて腐食(錆や劣化)や油、一部の薬品に対する耐久性が高くなります。

• カーボン素材の航空宇宙産業への活用

カーボンファイバー強化プラスチック(CFRP)は金属に比べて非常に軽量です。機体の軽量化により、燃費の向上や積載量の増加が可能です。これにより、より高性能な航空機の開発につながります。

高い強度と剛性を持ちつつ、金属に比べて疲労特性も優れているので、航空機の安全性を上げるのに貢献します。
また、金属に比べて熱膨張率が低く、耐熱性に優れるし、腐食にも強いため、メンテナンス性の向上にも寄与 します。

ただし、CFRP は金属に比べて修理が難しいため、航空機メーカーでは修理技術の向上に取り組んでいます。

• カーボン素材の電子機器産業への活用

ナノカーボン材料であるカーボンナノチューブ(CNT)やグラフェンは、回路内の素子間を接続する配線材料として活用されています。
CNTは螺旋度の制御により、半導体特性や導電性を調整できるため、トランジスタなどの電子デバイスの材料にもなります。

グラフェンは高い電子移動度を持つ半導体材料として注目されています。印刷技術を用いてグラフェンを電子回路に組み込む「印刷エレクトロニクス」の研究が進んでいます。

• カーボン素材の医療機器産業への活用

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は、X線の透過性が高いため、レントゲン機器などの医療機器に多く使用されています。
軽量で高剛性を持ち、CT装置のテーブルなどに使われています。

また、疲労強度が高く、耐薬品性にも優れているため、医療機器の部品として適しています。

今後は医療分野におけるカーボン素材の活用は今後も拡大していくと考えられます。
軽量化や高機能化、耐久性の向上など、カーボン素材の特性を活かした医療機器の開発が期待されています。

カーボンの利用の課題

CO2排出量の削減によるカーボンニュートラル

カーボン繊維の製造には高温での処理が必要であり、その過程でのエネルギー消費が高いため、製造の際に二酸化炭素の排出量が多くなります。特に高温処理の工程では金属に比べて多い場合があります。

技術の進歩により、カーボン素材のリサイクルが進んでおり、リサイクルプロセス自体の二酸化炭素排出量は比較的低いですが、リサイクル率がまだ低いことが課題です。

廃棄・リサイクルの課題

カーボン素材のリサイクルには技術的な課題が多く、現時点でのリサイクル率は低いです。カーボン繊維は強度と軽量性が特徴ですが、製造過程での高温処理や化学処理が必要であり、これがリサイクルの難しさを増しています。リサイクル時には、繊維を元の状態に戻すのが難しく、品質が低下することが問題となります。

また、リサイクルプロセス自体も複雑でコストがかかるため、経済的な面でも課題があります。このため、カーボン素材のリサイクル率はまだ低く、技術革新が求められています。

資源の偏在性

カーボン素材の原料となる石油や天然ガスは、特定の地域に集中して存在しています。この地理的な偏在性により、供給リスクが生じています。

例えば、中東やロシアなど、限られた地域が主要な供給元となっているため、これらの地域での政治的不安定や紛争、天然災害などが供給に影響を及ぼす可能性があります。

また、世界的な需要増加に伴い、供給不足や価格高騰のリスクも増しています。このような背景から、安定したカーボン素材の供給を確保するためには、代替原料の開発やリサイクル技術の向上が求められています。

代替素材の開発

カーボン素材は高い強度と軽量性を持つ一方で、製造過程での二酸化炭素排出量が多く、原料の供給リスクも存在します。これにより、環境負荷の低い新素材の開発が求められています。

持続可能な代替素材として、バイオベースの複合材料やリサイクル可能な高性能ポリマーなどが注目されています。これらの新素材は、製造過程でのエネルギー消費を抑え、リサイクルしやすい特性を持つため、環境への影響を最小限に抑えることが期待されています。

研究開発の進展により、こうした新素材の実用化が進めば、持続可能な社会の実現に寄与するでしょう。

コスト面の課題

炭素繊維やグラファイトなどのカーボン素材は、製造プロセスが高度でエネルギー集約的であるため、製造コストが高くなります。また、リサイクル処理にも高いコストがかかり、品質維持が難しいことから、経済的な競争力の確保が課題です。このため、カーボン素材の利用拡大には、コスト削減や効率的なリサイクル技術の開発が求められています。

まとめ

カーボン素材は軽量で高強度、耐久性に優れるため、製造業の幅広い分野で活用されています。主なカーボン素材には、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)、グラファイト、カーボンナノチューブなどがあります。

CFRPは金属に匹敵する高強度と剛性を持ち、自動車や航空機の軽量化に活用されています。グラファイトは熱・電気伝導性に優れ、電子機器の部品などに使われます。一方、カーボンナノチューブは極めて高い強度を持ち、先端材料として注目されています。

これらのカーボン素材は、製品の高性能化や省エネルギー化に大きな効果を発揮します。製造業にとって、カーボン素材の特性を理解し、用途に合わせて最適な素材を選択することが重要です。

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参考文献

・炭素繊維の航空・宇宙分野への応用事例. (n.d.). https://www.carbonfiber.gr.jp/field/craft.html