航空宇宙における炭素繊維の技術状況と研究の進展

炭素繊維の技術的状況と研究状況代表的な特性と用途

炭素繊維と航空宇宙分野でのその用途。炭素繊維が航空宇宙分野で広く使われているのは、主に次のような利点があるからです。

(1)宇宙機の高い剛性要件を満たすことができる炭素繊維複合材料

衛星をはじめとする宇宙機は,打ち上げ時に非常に高い加速度過負荷や激しい振動に耐える必要があるため,強度を満たす状態での剛性問題を解決することが,衛星構造設計の主な検討事項となっています。高剛性構造を採用してこそ,衛星構造を確保することができる。完全性と機能のことである。一般的に、炭素繊維複合材料の単方向材料は、アルミニウム合金の5 ~ 7倍の弾性率を有します。したがって、高弾性炭素繊維複合材料は、衛星や他の宇宙船の構造剛性要件を満たすための最良の材料です。

(2)炭素繊維複合材料は、宇宙船の寸法安定性の要件を満たすことができます

宇宙環境で宇宙機を運用する上での主な問題は高温と低温の切り替えです。例えば、静止軌道上で動作する人工衛星の場合、最高温度は120°c、最低温度はマイナス160°cです。衛星構造部品は、高温と低温が交互の環境で構造の高精度と寸法安定性に対して非常に高い要求を持っています。炭素繊維を補強材とすることで、合理的な層設計により、熱膨張係数がほぼゼロの複合材を得ることができます。材料は、高温と低温が交互の環境で宇宙船の寸法安定性の要求を満たすように。

(3)炭素繊維複合材料は、軽量宇宙船の要件を満たすことができます

宇宙船が使用する燃料は1トンあたり約500万ドルかかります。大量の燃料を運ぶことは、宇宙船の離陸と飛行重量を増加させ、宇宙船の製造コストと飛行コストを大幅に増加させる。衛星が1 kgの質量を節約するごとに、ロケットは500 kgの燃料を節約し、打ち上げ費用を2万ドル削減できると見積もられている。炭素繊維複合材料は金属材料に比べて、宇宙船の高い剛性と寸法安定性を満たすだけでなく、大幅な軽量化効果があり、打ち上げと運用コストの削減に役立つ。

このような優れた性能に比べ、炭素繊維には制約要因もある。以下の表は、一般的な市販の炭素繊維の機械的性能指標を示しています。

引張弾性率によって、同社の炭素繊維製品は標準弾性率(230 gpa)、中弾性率(294 gpa)、高弾性率(>350 gpa)に分けられる。t800h、t800sおよび他の中弾性炭素繊維と比較して、高弾性炭素繊維の引張強度は一般的に低いことを表から見つけることは困難ではありません。例えば、m40jグレードの炭素繊維の最高強度はわずか4400 mpaであり、pan系高弾性炭素繊維となっています。破断伸びは1.2%以下であり、破断伸びと高弾性炭素繊維複合材料の衝撃靭性をさらに低下させます。近年、pan系高弾性炭素繊維の分野における外国の研究とブレークスルーは、主に繊維強度の向上と破断伸びに焦点を当てています。