人間の髪の毛の10分の1以下の太さだが、科学者は一目見ただけでその欠陥を見分けることができる。

制作：中国科学普及協会

著者: 張昊 (中国科学院上海高等研究院 研究員)

プロデューサー: 中国科学博覧会

エジソンの物語では、何千回もの実験を経て、ついに耐久性のあるフィラメントを発見し、近代産業文明に最初の「光」のビームをもたらしたことは誰もが知っています。しかし、あまり知られていないのは、彼の実験で綿竹繊維から燃焼した炭素フィラメントが、偶然にも現代の新素材である炭素繊維の章を開いたということである。

エジソンと電球

（写真提供：veerフォトギャラリー）

カーボンファイバーとは何ですか？

炭素繊維は、有機繊維を高温変換して得られる炭素含有量が90％以上の無機繊維です。 1879年、エジソンは植物繊維を高温で炭化して、電球の要件を満たす優れた導電性の繊維を得ました。しかし、寿命が短く、強度が限られていたため、後に金属フィラメントに置き換えられました。

1959年、日本とアメリカの科学者が炭素繊維の製造技術を開発し、その性能が大幅に向上しました。 1982年、ボーイングやエアバスなどの企業によって航空分野で初めて炭素繊維が使用されました。

それから100年以上経った現在、炭素繊維紡糸技術の進歩により、髪の毛のように細く（5～10ミクロン）、羽毛のように軽く（密度は鋼鉄の約5分の1）、鋼鉄のように強い（破断強度は鋼鉄の約4倍）高強度炭素繊維が生産されています。 。

カーボンファイバー

（写真提供：中国科学日報）

炭素繊維はさまざまな分野で広く使用されています

今日、炭素繊維は現代の産業システムに欠かせない基礎材料となっています。釣り竿などの軽量スポーツ用具から風力タービンのブレードまで;トラックを走るF1カーからボーイング787などの航空機の巨人まで、炭素繊維はその軽量さと高い強度により重要な役割を果たしています。

ボーイング787を例にとると、機体材料の最大50%は炭素繊維複合材料で作られています。この材料が非常に重要である理由は、炭素繊維が持つ多くの優れた特性によるものです。

まず、密度が低いため、航空機の重量が大幅に軽減され、乗客定員と輸送能力が向上します。第二に、カーボンファイバーは燃料消費を大幅に削減し、航続距離の延長と効率の向上を実現します。さらに、炭素繊維の極めて高い強度と優れた機械的特性は、航空機の胴体の安全性と耐久性を強力に保証します。これらの特性により、炭素繊維は航空産業の進歩を推進する中核技術の 1 つとなっています。

ボーイング787

（写真提供：The Paper）

高性能炭素繊維の製造は課題に直面

わが国は炭素繊維の主要生産国となったものの、高級炭素繊維の分野ではまだ追い上げの段階にあります。 T1000以上のグレードの炭素繊維製品に代表されるトップレベルの炭素繊維は、まだ国産品に取って代わられていません。日本の東レなど西側の国際大手企業が高級炭素繊維の生産を独占しており、我が国に対して禁輸措置を課しています。このため、我が国は依然として高級炭素繊維製品の供給ボトルネックに直面しています。そのため、自主的な研究開発を加速し、炭素繊維技術のボトルネックを打破し、技術の現地化を実現することが特に急務となっています。

しかし、高性能炭素繊維の製造は容易ではありません。中心的な課題の 1 つは、炭素繊維の欠陥をどのように特性評価し、制御するかということです。

炭素繊維製造中の欠陥構造の進化

(写真出典:深セン大学徐建、朱彩鎮研究チーム)

これらの欠陥は影に隠れた幽霊のようなもので、炭素繊維の究極の性能に直接関係しています。

まず、欠陥のほとんどは繊維内部に含まれており、充填方法（水銀ポロシメトリー、窒素吸着など）では検出できません。一方、その三次元構造、長さ、幅、内部偏向角は材料の性能に重要な影響を及ぼします。従来の電子顕微鏡スライス観察法は、実際にその三次元構造の投影を観察します。私たちが絵を描くときの三面図と同じように、異なる三次元構造の投影図は同じになることがあります。

描画時の3つの視点

（写真出典：著者提供）

たとえば、楕円形の欠陥構造の場合、その断面は円として観察されます。円の関連パラメータを使用して実際の欠陥構造を測定すると、必然的に大きな誤差が生じます。そのため、欠陥の3次元構造を直接観察する方法が必要になります。

楕円形欠陥構造の断面

（写真出典：著者提供）

これらの欠陥が時間内に発見され制御されない場合、機器や装置の安全性能が低下したり、事故を引き起こしたりする可能性があります。

例えば、海外で最近起きたタイタン潜水艦の事故の原因の一つは、潜水艦の船体の欠陥を適時に発見できなかったことだった。これらの欠陥は、影に隠れた敵のように、従来の検出方法では検出が困難です。

では、この問題をどう解決すればいいのでしょうか?

賢いトリック: 光を使って影を「照らす」!

科学者たちは、シンクロトロン放射X線を光源として使用し、炭素繊維の影を照らすという巧妙な方法を思いついた。

欠陥の3次元情報は散乱法によって記録され、特徴付けられます。この方法は光の粒子効果を利用するため、従来の写真撮影技術とは異なります。

X 線ビームがサンプルに当たると、2 つの小さなボールが衝突するのと同じように、光子が炭素繊維の電子と相互作用します。衝突後、角度などのパラメータが変化し、検出器によって捕捉され、特定の散乱パターンが形成されます。欠陥部分と正常部分の電子密度の違いにより、検出器で捉えられる散乱パターンには欠陥構造の3次元情報が反映されます。

これらの散乱データを分析することで、科学者は炭素繊維の欠陥のサイズ、形状、分布など、サンプルの内部構造に関する詳細な情報を得ることができます。シンクロトロン放射は、高輝度（放射量は太陽の1010倍）、高コリメーション、X線の透過性などの特徴があるため、サンプルを破壊することなく迅速に特性評価を行うことができます。 1 秒以内に単一のスペクトルを生成できるため、炭素繊維の欠陥構造の進化をオンラインで研究できます。そのため、ソフトマター、ポリマー、ナノマテリアル、生体高分子の研究にも広く利用されており、物質のミクロの世界を探求するための重要なツールとなっています。

この方法のおかげで、中国の科学者たちは1000トンのT1000炭素繊維の生産プロセスを習得し、科学技術成果の評価に合格しました。これは、我が国の国産炭素繊維が世界最先端のレベルに達したことを示しています。この成果は、外国の技術封鎖を打ち破っただけでなく、我が国の産業の発展に新たな活力を注入しました。

深センイブニングニュースが報じた。

（写真提供：深センイブニングニュース）

結論

今後、炭素繊維がさらに多くの分野で重要な役割を果たすことが期待されます。シンクロトロン放射などの先端技術を活用して炭素繊維の影を照らし、その中の欠陥を発見することが、炭素繊維技術の継続的な発展を促進する鍵となるでしょう。

蘇軾はこう言っています。「横から見れば山脈が見え、正面から見れば山頂が見える。」さまざまな角度から観察し、考えることができれば、影に隠れた真実を発見し、この魔法の素材である炭素繊維を人類社会にさらに役立つものにすることができるでしょう。

参考文献:

[1]Zhu C, Liu X, Yu X, et al.炭素繊維の引張変形中の微小空隙形成に関する小角X線散乱研究と分子動力学シミュレーション[J]。カーボン、エルゼビア社、2012年、50(1):235–243。

[2]Lu J、Li W、Kang H、et al.ポリアクリロニトリル系炭素繊維の微細構造と特性[J]。ポリマー試験、エルゼビア社、2020年、81(10):106267。

[3]Thunemann AF、Ruland W.ポリアクリロニトリル繊維中の微小空隙：小角X線散乱研究[J]。マクロ分子、2000年、33(5):1848–1852。