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「金属部品を、もっと軽く、でも強度は維持したい」「静電気対策のために、樹脂に導電性を持たせたい」…こうした高度な要求に応えるのが、炭素繊維（カーボン）を配合した高機能プラスチックです。湯本電機ではカーボン材質の切削加工にも対応します。この記事では切削材質としてのカーボンの特徴を解説します。

カーボンは軽く、強度が高く、腐食しない材質です。金属材質からの代替材質として注目されています。軽量でありながら高強度・高剛性の性質を併せ持ち、熱的にも化学的にも安定しています。自動車や航空機分野で、軽量化による燃費向上のため、主要部品への採用事例が多く確認されています。
軽量で強度も高いことに加えて、導電性もあることから、様々な分野で使用されています。

湯本電機では、主にCFRPとカーボングラファイトの加工が可能です。

CFRP（炭素繊維強化プラスチック）

CFRPはプラスチックに炭素繊維（カーボンファイバー）を組み合わせた材質です。

炭素繊維とは、石油やアクリル系の長繊維を高温加熱で炭化して作られた繊維です。密度が約1.8g/cm3と、鉄の7.8g/cm3、アルミの2.7g/cm3比べても軽い材質です。比強度は鉄の約10倍、比弾性率は鉄の約7倍と強度面にも優れています。

炭素繊維単体で使用されることは少なく、主にプラスチックやセラミックへ機能性付与材料として配合されます。炭素繊維を織り込んで作られる布状カーボンクロスです。カーボンクロスに樹脂を染み込ませて、硬化させた材質がCFRPです。繊維の配向方向や樹脂の種類を変えることで、強度を変えることができ、条件によっては金属以上の剛性になります。

CFRPは強度を必要とし、かつ軽量化が必要な場面で使用されます。航空機・宇宙機器業界や、スポーツ・レジャーなどの身近なところまで、幅広い分野で活躍しています。屋外で長期間使用する場合は、劣化する可能性があるので表面処理をする必要があります。

繊維強化プラスチックの仲間にGFRP（ガラス繊維強化プラスチック）があります。こちらは比較的安価な材質ですが、CFRPは優れた特徴である分、高価です。FA機器やロボット、ロケット・人工衛星の部品などに利用されています。

カーボングラファイト

カーボングラファイトは、炭素を高温で熱した純度の高い黒鉛です。天然で取れるものと、石油や石炭から人工的に作られるものがあります。CFRPと同様に、軽くて強度に優れています。さらに導電性があり、耐熱性や自己潤滑性が高いことから半導体や航空宇宙などの幅広く使用されています。

身の回りでは鉛筆の芯として見る機会が多い材質です。ヘルメット、カメラ、トースター、ヒーターのなどの部品にも使用されています。

グラファイトの特徴は主に5つの特徴があります。

熱に強い
耐熱性が高く、急激な熱変化に対する耐性があります。
高温状況下での寸法変化が少なく強度は2500℃まで増加し、強度は最大約2倍になります。

耐薬品性に優れている
炭素の共有結合の結晶を持ち、化学的に安定しています。
常温ではほとんどの酸・アルカリに反応しません。

寸法安定性に優れている
熱膨張係数が低いため、温度変化による体積の増減が少ない特性があります。

自己潤滑性に優れている
潤滑性があり、摩擦・摩耗を減少させることができます。

導電性がある
電気を通すため、電極材や電気部品に使われます。

カーボンの切削加工が難しい理由

カーボンは多くのメリットのある材質ですが、切削加工が難しい材質でもあります。
特にCFRPは難削材であり、強度が高く繊維層が剥離しやすいため、加工に時間がかかります。
微小な炭素粒子が工具を削ってしまうため、工具寿命の低下が起こることも難削材である理由です。

加工中の粉塵は、人体への影響があり、皮膚に付着すると痒みが生じます。
これを吸い込んでしまうと、肺に傷がつく恐れがあります。
手に付着したまま擦ると怪我をしてしまうので安全への配慮が欠かせません。

また、機械への悪影響もあります。
細かい切粉がベアリングなどの摺動部に侵入すると、この切り粉自体がヤスリの働きをして、摺動部を摩耗させます。

まとめ

CFRPとカーボングラファイトは、共に切削加工が可能な材質です。軽く強度が高く、腐食しない優れた特性があります。そのため金属の代替としても候補に挙がります。これらは航空機・宇宙機器業界など、厳しい環境での使用ができる高機能材料です。切削加工には通常のプラスチックや金属とは違った難しさがあり、難削材に分類されます。

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