「ブラックゴールド」炭素繊維：新材料王國まばゆい星

最近、一部の軍事?科學技術強國は、「炭素繊維産業の発展」などの関連分野に目を向け、再生可能な炭素繊維材料の発展を加速させる計畫を競って打ち出し、革新研究機構を増設し、工學ナノ技術や炭素繊維など6つの重要技術分野の急速な発展を重點的に推進しようとしており、大勢の勢いがある。

　　科學的に探る「ブラックゴールド」炭素繊維

炭素繊維の起源は1860年にさかのぼることができ、イギリス人のサーブ?スワンによって電燈フィラメントの製造において発明され、特許を取得した。それは繊維狀炭素材料であり、黒色を呈し、質が硬く、強度が鋼より大きく、密度がアルミニウムより小さく、ステンレスよりも腐食に強く、耐熱鋼よりも高溫に強く、また銅のように導電でき、電気學、熱學と力學などの総合的に優れた性能を持つ新型材料であり、その製造技術の難度が高く、実用価値が高いため、業界から「ブラックゴールド」と譽められている。

炭素繊維「外柔內剛」は、炭素材料の本質的な特性を持つだけでなく、紡績繊維の柔軟性と加工性を兼ね備えた、次世代高性能補強繊維である。髪の毛の糸よりも數倍細い炭素繊維と樹脂、炭素、セラミックス、金屬などの基體は、特殊な複合成形技術を経て製造され、性能の優れた炭素繊維複合材料を得ることができ、航空、宇宙、エネルギー、交通、軍用裝備などの多くの分野に広く応用でき、國防軍需産業と民間生産生活の重要な材料である。

　　製造が難しいプロセス複雑で細かい

1950年代、ミサイルノズルと弾頭の高溫耐性、耐食性などの重要な技術的難題を解決するために、米國は率先してビスコース系炭素繊維を開発した。1959年、日本の近藤昭男はポリアクリロニトリル基炭素繊維を発明した。炭素繊維は軍事分野で武器裝備の性能を高める優れた表現を際立たせているため、軍事強國の高度な重視を引き起こした。その後、一部の國は重點的に投入し、より高性能でより多くの品種の炭素繊維を絶えず開発した。日本は前後して高強度、高模性兼備などの一連の重要な技術難題を突破し、開発された炭素繊維複合材料に優れたたいひろうせい環境適応能力とともに、その全體的なレベルがリードしている。

炭素繊維は簡単に見えるが、その製造技術は非常に複雑で、化學工業、紡績、材料、精密機械などの多學科分野では、プロセス全體に溫濕度、濃度、粘度、流量など千以上のパラメータを含む高精度制御が含まれており、ちょっとした不注意が炭素繊維の性能と品質安定性に深刻な影響を與えるため、一般的なプロセス技術に匹敵するものではない。

現在の炭素繊維及び複合材料の広範な応用に伴い、規模化生産はその産業化発展の重要なボトルネックとなっている。各計量級の生産は原理は同じであるが、各種のプロセスパラメータの正確な制御の難しさは極めて異なっており、10トン級、100トン級の生産ラインは、単純に千トン級にコピーすることはできず、例えば重合反応によって大量の熱が発生し、溫度均一性一定性を極めて制御することは難しい。そのため、現在、高性能炭素繊維を安定的に生産できる國はごく少數であり、コア技術は長期的に日本と米國の企業大手の手に握られている。このうち、日本の3社は炭素繊維の生産能力が世界の4分の3を占め、業界の「ビッグマック」となっている。

　　強中強國防裝備が生まれ変わる

外メディアによると、群雄を自負するF-35戦闘機の初飛行時間が延びているが、その重要な原因の1つが過體重だという。この難題を解決するために、ロッキード?マーティン社は多くの方法を採用し、最終的には35%もの炭素繊維複合材料を採用して機體の重量を大幅に低減した。だからある意味では、炭素繊維複合材料がF-35戦闘機を成し遂げたのだ。

現在、炭素繊維複合材料は高ステルス性能を実現するために不可欠な基礎的な材料となるだけでなく、兵器裝備システムの先進的な性能を測定するための重要な指標となっている。例えば、X-47 B、グローバルホーク、グローバル観察者、西風などの航空機は炭素繊維複合材料を使用する割合がより高いため、その有効荷重、航続能力、生存能力はいずれも新たな突破を実現した。

現役F-22戦闘機の最大の特徴は、ステルス性能が良いことだが、これは炭素繊維複合材料を大量に使用することと関係がある。また、F-117 A戦闘機、B-2ステルス爆撃機なども炭素繊維吸波材料を採用し、スウェーデンの「ヴィースビー」級哨戒艦艦の艦體用を含むすべての複合材料であるため、高いステルス、高機動、長壽命などの先進的な作戦性能を持っている。

宇宙分野の発展はさらにバーツである。固體ロケットエンジンの質量が1キログラム減少するごとに、射程距離は16キロ増加することができる。そのため、炭素繊維複合材料は米國の「パトリオット」ミサイル、「トライデント」II、ドイツのHVM超音速ミサイル、フランスの「アリアン」?2ロケット、日本のM?5ロケットなどのエンジン筐體に大量に応用され、將來的には炭素繊維は小型化、高機動性、高精度、高突撃能力先進戦略的兵器裝備を発展させる重要な基礎となる。

新型高性能炭素繊維複合材料は、より良い安定性と信頼性を有し、現在、超音速航空機、國際宇宙ステーション、先進衛星などの裝備システムに大量に応用されている。米國防総省は「21世紀の國防需要に向けた材料研究」報告書で、「2020年までに複合材料だけが裝備の20?25%の性能向上につながる可能性がある」と強調した。