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カーボン「炭素繊維のプラスチック」素材のワンポイント講座


カーボンとは
炭素のことを指します。元素記号ではCと示します。
カーボンのみで生成する素材としては、グラファイトやダイヤモンドがあります。
また、カーボンの化合物としては、カーボンファイバーやコークスと呼ばれるものがあります。
これらのカーボンや、カーボンを主成分とする製品をまとめて、一般的にカーボンと呼ばれています。

カーボンの性質
鉄と比較すると比重は4分の1なのに対して、強度は10倍ほどにもなります。
さらには、耐摩耗性、耐熱性、熱伸縮性、耐酸性、電導性に優れているという特徴があります。金属に代わる素材として注目されています。

私達のような切削業界でもカーボンが使用されることがあります。多いのはCFRPと呼ばれる炭素繊維が混ざった樹脂が使用されています。
加工中にとても細かい切粉が舞うため、それを吸い込んでしまうと、肺に傷がついてしまいます。
手に付着して擦ってしまうとケガをしてしまうという身体への影響や、細かい切粉がベアリングなどの摺動部に侵入すると、この切粉自体がヤスリ働きをして、摺動部を摩耗させてしまい動きを鈍くしてしまうという機械への影響あります。
身体や機械にとってあまり良くない影響があることで有名で、加工の際は慎重な作業が必須となっています。

カーボンからできている素材
グラファイト
グラファイトとは黒鉛のことです。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とがあります。
鉛筆の芯として見る機会が多いのではないでしょうか。
グラファイトの特徴は下記の5つを挙げることができます。
①熱に強い 耐熱性があり、急激な熱変化があっても耐えることができます。
 高温状況下での寸法変化は少なく強度は増加(2500℃まで)します。強度は最大約2倍になります。
②耐薬品性に優れている 炭素の共有結合の結晶をもっており、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。
③加工性に優れている アルミよりも軽くて加工が容易です。 
④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。
⑤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。

グラファイトの製品
ヘルメット、カメラ、トースター、ヒーター、鉛筆やシャープペンの芯、カセットテープビデオテープにも使用されています
グラファイトのデメリット
微小な炭素粒子が工具を削ってしまうため、工具寿命の低下が懸念されます。
また、工作機械の摺動部に侵入すると、摩耗が生じて、工作機械自体の老朽化を促進させてしまいます。

カーボンファイバー
1,000℃の高温でアクリル繊維を焼き、炭化させた繊維です。
これを織り込んで作られる布上の素材をカーボンクロスと言います。
さらにその、カーボンクロスに樹脂を染み込ませて、硬化させた素材がCFRPと呼ばれる素材になります。

CFRP
炭素繊維強化プラスチックという意味です。
炭素繊維と、樹脂を複合させた素材です。比重は1.5~1.8なので、比重が7.8の鉄に比べてもかなり軽量な素材と言えます。
そのため、同じ質量で鉄とCFRP炭素繊維強化プラスチックを比べると、鉄よりも優れていると言えます。
CFRP(炭素繊維強化プラスチック)は強度を必要とし、かつ重量は軽くしたいという場合によく使用されている素材になります。
CFRP炭素繊維強化プラスチックは金属に比べても、同じ強度や剛性を持っているにもかかわらず、金属よりも軽量であるという特徴があります。
そのため、航空・宇宙業界はもちろんのこと、スポーツ業界からレジャー業界まで幅広い分野で使用されている素材です。
そんな便利な素材ですが、同じ繊維強化プラスチックのGFRP(ガラス繊維強化プラスチックに比べると価格が高くなってしまうというデメリットがあります。

CFRP(炭素繊維強化プラスチック)の用途
産業機械・ロボット部品、ノートパソコン
航空業界:機体、回転翼、ヘリコプターブレード
宇宙業界:ロケット、人工衛星の部品
医療業界:X線撮影装置天板、X線フィルムカセット、車椅子、人工骨
スポーツ業界:ゴルフクラブのシャフト、テニスラケット、釣り竿
レーシングカー、競技用自転車のフレーム、新幹線にまで使用されています。

非常に多くのメリットがあり、かなり便利な素材のCFRP炭素繊維強化プラスチックですが、まだしばらくは、鉄やアルミ、ステンレスなどの金属にとってかわることのできる素材までには至っていません。
その理由としては
CFRPは超難削材と言われており、
コーティングされた超硬エンドミルでもすぐに刃先が摩耗してしまいます。
そのため、加工が非常に困難で時間がかかるため値段が高くなってしまう傾向があります。
また、塗装することもかなり難しい、炭素を含むため、色が黒ずんでしまう。繊維のため表面の形状が繊維形状に依存してしまうという様々なデメリットが存在しているからです。

さらには人体の被害もあり、もし皮膚に付着した場合、粉塵が皮膚にくっついた時点で痒みが生じます。さらにその時点痒いからと言ってこすることは禁物です。炭素繊維というのは一本一本が細い針金のようなものなので、こすってしまうとその針金たちが皮膚に刺さってさらなる皮膚の炎症を起こす可能性がある危険性もあります。

なんでもかんでも、軽量化の為に金属をCFRPへ交換していくのではなく、
適材適所でそれぞれ金属、CFRP、樹脂の特性を活かした使い方をするのが、結果的に、コストダウンに繋がります。

弊社でも、使用用途や環境を教えて頂けましたら、それに合わせた素材の提案、形状の変更の提案などをさせて頂きます。
現在ご使用中の機械、部品の軽量化、コストダウンでお悩みでしたら、是非湯本電機へご相談下さい。
お客様にピッタリのオーダーメイドの製品を製作致します。

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カーボンの特徴・用途などの素材ページはこちら。

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