500℃の高温にも耐えます！新しい超強力カーボンプラスチックが航空宇宙製造の「弱点」を補う？

著者: 黄祥紅段岳中

今日の科学技術の急速な発展により、材料分野における革新はさまざまな産業に新たなブレークスルーをもたらし続けています。最近、ロシアのカザン連邦大学とカザン国立工科大学の科学者らが、リン酸接着剤をベースにした超強力カーボンプラスチックの開発に成功し、大きな注目を集めている。

従来の複合材料は、航空機製造から日常のホッケーのスティックに至るまで、多くの分野で広く使用されています。しかし、有機ポリマーバインダーで作られたこれらの複合材料には、いくつかの「弱点」があります。一方、有機接着剤は可燃性であり、安全性の要件が極めて高い一部の分野では、間違いなく大きな隠れた危険となります。一方、最高動作温度は300～450℃と低く、航空・宇宙などのハイテク分野で求められる500℃以上の高温に耐える不燃性材料の需要に応えることは困難です。

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これらの困難を克服するために、研究チームは別のアプローチを採用し、無機接着剤に注目しました。同社は、リン酸アルミニウム、リン酸ホウ素アルミニウム、リン酸クロムアルミニウムバインダーをベースにしたカーボンプラスチックの開発に成功し、これらのバインダーの性能を炭素繊維で向上させました。物理的および機械的試験の結果、これらの炭素繊維強化プラスチックは極めて高い引張強度と曲げ強度および弾性を示しました。動的機械分析の結果は、これらの材料が並外れた耐熱性を備えていることをさらに示しています。中でも、アルミニウムクロムリン酸をベースにした炭素繊維強化プラスチックは、最高の強度と剛性を備え、特に優れた性能を発揮しました。それから作られた製品は 500°C を超える高温に耐えることができます。

この新しいタイプのカーボンプラスチックの出現は、多くの分野に新たな希望をもたらしました。航空宇宙分野では高温環境が当たり前であり、材料には非常に高い耐熱性が求められます。この超強力カーボンプラスチックの出現により、航空機の製造においてより信頼性の高い材料の選択肢が提供され、航空機の安全性と性能が向上することが期待されます。工業生産における特定の特殊リンクなど、その他の高温作業環境においても、この新素材は生産効率と安全性を向上させるために使用することが検討できます。

さらに、この新素材は環境に優しいという利点もあります。有機バインダーを使用したプラスチックとは異なり、新しく開発された複合材料は使用中に環境を汚染しません。これらの物質は分解されると粘土やリン酸肥料の成分となり、資源のリサイクルを実現します。

この新しいタイプのカーボンプラスチックの耐熱性をさらに向上させるには、次の点を考慮することができます。

1. 材料の最適化

1. 接着性の向上：

- リン酸アルミニウム、リン酸ホウ素アルミニウム、リン酸クロムアルミニウムなどの接着剤の成分比率を調整することで、新しいリン酸接着剤の配合の開発を継続し、より耐熱性の高い組み合わせを見つけます。たとえば、高温での接着剤の安定性を高めるために、特殊な耐熱特性を持つ微量元素を追加してみることもできます。

- ケイ酸塩、ホウ酸塩などの他の種類の無機バインダーを調査し、既存のリン酸バインダーと比較して組み合わせることで、より耐熱性の高いバインダー システムを見つけます。

2. 炭素繊維の最適化：

- 強度、弾性率、耐熱性に優れた特殊炭素繊維など、より高性能な炭素繊維を選択します。当社は炭素繊維メーカーと協力し、この新しいタイプの炭素プラスチック専用の高性能炭素繊維を共同開発することができます。

- 炭素繊維の表面処理により、接着剤との接着強度が向上し、炭素繊維の補強効果がより発揮されます。例えば、化学蒸着法、プラズマ処理法などの方法を使用して、接着剤との適合性を高めたコーティングを炭素繊維の表面に形成することができる。

3. 耐熱フィラーを追加する:

- ナノアルミナ、ナノシリコン酸化物、シリコンカーバイドなどの耐熱性に優れた無機フィラーを導入します。これらのフィラーは材料内に耐熱ネットワークを形成し、材料全体の耐熱性を向上させます。同時に、充填剤を添加することで材料の強度と硬度も向上します。

- さまざまなフィラー粒子のサイズ、形状、含有量が材料の耐熱性に与える影響を研究し、最適なフィラーの組み合わせと添加量を見つけます。

2. プロセス改善

1. 準備プロセスの最適化：

- ホットプレス成形、射出成形などのより高度な成形方法を採用するなど、カーボンプラスチックの製造プロセスを改善して、材料の密度と均一性を向上させ、耐熱性を向上させます。

- 準備プロセス中に温度、圧力、時間などのパラメータを制御してプロセス条件を最適化し、接着剤と炭素繊維をより適切に組み合わせてより安定した構造を形成できるようにします。

2. 熱処理工程：

- 製造されたカーボンプラスチックを適切に熱処理することで、材料の結晶性と秩序性が向上し、耐熱性が向上します。たとえば、特定の温度でアニーリングを実行すると、材料の内部応力が除去され、材料の安定性が向上します。

- さまざまな熱処理温度と時間が材料の耐熱性に与える影響を研究し、最適な熱処理プロセスパラメータを見つけます。

3. 構造設計

1. 多層構造設計：

- 異なる特性を持つ材料を組み合わせて、耐熱性勾配のある構造を形成する多層カーボンプラスチックを設計します。例えば、材料の表面に耐熱性に優れたコーティングを施し、中間層に炭素繊維強化リン酸接着剤、下層に一定の強度と靭性を備えた基材などを設けることができます。

- 層間の結合と相乗効果を確保し、材料全体の耐熱性を向上させるために、多層構造の設計原理と作製方法を研究します。

2. 3次元構造設計：

- 3D プリントなどの高度な製造技術を使用して、複雑な 3 次元構造を持つカーボン プラスチックを設計および準備します。この構造により、材料の機械的特性と耐熱性が向上するとともに、パーソナライズされたカスタマイズと軽量設計が可能になります。

- 3 次元構造が材料特性に与える影響を研究し、構造設計パラメータを最適化して、最高の耐熱性と機械的特性を実現します。

4. パフォーマンステストと評価

1. 健全なテスト方法を確立する:

- 試験結果の正確性と信頼性を確保するために、科学的かつ合理的な耐熱性試験の基準と方法を開発します。国際規格や業界仕様を参考に、新カーボンプラスチックの特性に応じた適切な試験方法を確立することができます。

- 熱重量分析、示差走査熱量測定、動的熱機械分析などのさまざまな試験方法を使用して、材料の耐熱性を総合的に評価します。

2. 継続的な最適化と改善：

- 性能試験結果に基づいて、材料の耐熱性に影響を与える要因を分析し、材料の配合、プロセス、構造設計を適時に調整します。継続的な最適化と改善により、新しいカーボンプラスチックの耐熱性が徐々に向上しています。

つまり、この新しいタイプのカーボンプラスチックの耐熱性をさらに向上させるには、材料の最適化、プロセスの改善、構造設計、性能テストなど、さまざまな側面からの総合的な検討と研究が必要です。当社は、継続的な革新と努力を通じて、より優れた性能を持つ耐熱カーボンプラスチックを開発し、さまざまな分野での用途に優れた材料オプションを提供できると信じています。

ロシアの科学者が開発した、500℃の温度に耐えられるこの超強力なカーボンプラスチックは、材料分野における大きな革新です。従来の複合材料の性能を上回るだけでなく、環境にも優しく、将来の科学技術の発展や産業応用に新たな可能性をもたらします。近い将来、この新素材がより多くの分野で重要な役割を果たし、人類の進歩と発展に貢献すると信じています。