強化カーボンカーボン

スペースシャトル*アトランティス*の翼から取り外されたパネルを含む強化炭素繊維の破片^{[ 1 ]}。これは、*コロンビア号*の最終打ち上げ中に起こり得る出来事を再現し、発泡材の衝撃による**C/C**の脆性破壊を示している。

炭素繊維強化カーボン^{[ n 1 ]}（CFRC）^{[ 4 ]} 、カーボン-カーボン（C/C）^{[ 2 ]} 、または強化カーボン-カーボン（RCC）は、グラファイトマトリックス内の炭素繊維強化複合材料である。大陸間弾道ミサイルの再突入体用に開発され、スペースシャトルオービターのノーズコーンと翼前縁の材料として最も広く知られている。カーボンカーボンブレーキディスクとブレーキパッドは、1970年代後半から F1レーシングカーのブレーキシステムの標準部品となっている。F1カーにカーボンブレーキが初めて搭載されたのは1976年のことである。

カーボン-カーボン（C-C）は、高温での構造用途、または耐熱衝撃性や低熱膨張係数が求められる用途に適しています。他の多くのセラミックスに比べて脆性は低いものの、耐衝撃性には欠けます。スペースシャトル・コロンビア号は、大気圏再突入時に外部燃料タンクから剥がれたポリウレタンフォーム断熱材の衝撃でRCCパネルの1枚が破損し、破壊されました。

生産

この材料は3段階で作られます: ^{[ 5 ]}

まず、炭素繊維や炭素繊維布をプラスチックやピッチなどの有機バインダーで包み、材料を最終形状に成形します。バインダー混合物には、コークスなどの微細炭素骨材が加えられることがよくあります。

次に、積層体を加熱することで、バインダーが熱分解し、比較的純粋な炭素に変化します。この過程でバインダーの体積が減少し、空隙が発生します。骨材を添加することでこの問題は軽減されますが、完全に解消されるわけではありません。

第三に、アセチレンなどの炭素形成ガスを高温で材料に数日間かけて徐々に浸透させることで、空隙を埋めます。この長時間の熱処理プロセスにより、炭素はより大きなグラファイト結晶に成長し、これがこの材料の高コストの主な原因となっています。スペースシャトルの主翼前縁とノーズコーンに使用されている灰色の「強化炭素繊維（RCC）」パネルの製造コストは、NASAでは1平方フィートあたり10万ドルですが、その大部分はパネルに関連する高度な形状と研究コストによるものです。この段階には、完成品の製造も含まれる場合があります。^{[ 5 ]}

C/Cは硬質材料であり、繊維スキャフォールドの積層方法とマトリックスフィラーの品質・密度に応じて、熱膨張、温度勾配、熱サイクルに対する高い耐性を実現できます。炭素-炭素材料は2000℃以上でもその特性を維持します。この温度を超える場合は、酸化を防ぐための保護コーティングを施すことで対応可能です。^{[ 6 ]} この材料の密度は1.6～1.98 g/cm ³です。^{[ 7 ]}

類似製品

炭素繊維強化シリコンカーバイド（C/SiC ）は、純粋な炭素繊維を炭素繊維と組み合わせた素材です。純粋な炭素繊維よりも密度がわずかに高く、耐久性が高いと考えられています。

高性能ロードカーのブレーキディスクとブレーキパッドに使用できます。最初に採用されたのはメルセデス・ベンツC215クーペF1エディションでした。^{[ 8 ]}ブガッティ・ヴェイロンをはじめ、多くのベントレー、フェラーリ、ランボルギーニ、ポルシェ、コルベットZR1およびZ06に標準装備されています。また、D3 S8、B7 RS4、C6 S6およびRS6、R8など、一部の高性能アウディ車にもオプションでアップグレードとして提供されています。この素材は重量が大きいため、F1では使用されていません。

カーボンブレーキは1980年代に民間航空機に広く普及し、^{[ 9 ]}コンコルド超音速旅客機で初めて使用されました。

ハイテクレーシング自動車に使用されている関連する非セラミック炭素複合材としては、イタリアの自動車メーカーであるパガーニが製造したゾンダ R およびウアイラスーパーカーに使用されているカルボタニウム炭素チタン複合材があります。

脚注

^ 「carbon fibre reinforced carbon」^{[ 2 ]} 、「carbon-fibre-reinforced carbon」^{[ 3 ]} 、「carbon fibre-reinforced carbon」^{[ 4 ]}など、様々なハイフン表記がある。また、「carbon fibre」「carbon fiber」とも綴られる。

参考文献

^最先端
^ ^a ^b Kochendörfer, Richard (2009-09-28) [2001]. 「セラミックマトリックス複合材料 - 宇宙から地球へ：プロトタイプから量産への移行」 . Singh, Mrityunjay; Jessen, Todd (編).第25回複合材料、先進セラミックス、材料、構造に関する年次会議：A：セラミック工学および科学議事録. 第22巻. John Wiley & Sons. pp. 11– 22. doi : 10.1002/9780470294680.ch2 . ISBN 9780470295144. ISSN 0196-6219 . 2017年9月7日閲覧。
^ Fritz, W.; Hüttner, W.; Hartwig, G. (2012-12-06) [1979]. 「炭素繊維強化炭素複合材料：加工性、室温特性、および低温における膨張挙動」 . Clark, AF; Reed, Richard; Hartwig, Gunther (編) .低温における非金属材料と複合材料. Cryogenic Materials (CRYMS). Springer Science & Business Media. pp. 245–266 : 245. doi : 10.1007/978-1-4615-7522-1_16 . ISBN 9781461575221. 2017年9月7日閲覧。
^ ^a ^b Lewandowska-Szumieł, M; Komender, J; Gorecki, A; Kowalski, M (1997). 「骨に埋め込まれた炭素繊維強化炭素複合材の固定」. Journal of Materials Science: Materials in Medicine . 8 (8): 485– 488. doi : 10.1023/A:1018526226382 . ISSN 0957-4530 . PMID 15348714. S2CID 26258090 .
^ ^a ^b「炭素繊維の特性」（PDF）。ロチェスター工科大学EDGE（エンジニアリング設計ガイドと環境）。2004年5月。2023年2月8日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年1月30日閲覧。
^材料特性データ: 炭素-炭素
^ LALIT M MANOCHA (2003年4月24日). 「高性能炭素-炭素複合材料」(PDF) . Sādhanā . 28 ( 1– 2): 349– 358. doi : 10.1007/BF02717143 . S2CID 123705345. 2014年6月28日閲覧.
^ 2000年式メルセデス・ベンツ CL55 AMG F1
^ボーイング：カーボンブレーキの運用上の利点

外部リンク

コンコルドのカーボンブレーキ

[5] 「carbon fibre reinforced carbon」^{[ 2 ]} 、「carbon-fibre-reinforced carbon」^{[ 3 ]} 、「carbon fibre-reinforced carbon」^{[ 4 ]}など、様々なハイフン表記がある。また、「carbon fibre」「carbon fiber」とも綴られる。

[1] 最先端

[Kochendörfer-2] Kochendörfer, Richard (2009-09-28) [2001]. 「セラミックマトリックス複合材料 - 宇宙から地球へ：プロトタイプから量産への移行」 . Singh, Mrityunjay; Jessen, Todd (編).第25回複合材料、先進セラミックス、材料、構造に関する年次会議：A：セラミック工学および科学議事録. 第22巻. John Wiley & Sons. pp. 11– 22. doi : 10.1002/9780470294680.ch2 . ISBN 9780470295144. ISSN 0196-6219 . 2017年9月7日閲覧。

[3] Fritz, W.; Hüttner, W.; Hartwig, G. (2012-12-06) [1979]. 「炭素繊維強化炭素複合材料：加工性、室温特性、および低温における膨張挙動」 . Clark, AF; Reed, Richard; Hartwig, Gunther (編) .低温における非金属材料と複合材料. Cryogenic Materials (CRYMS). Springer Science & Business Media. pp. 245–266 : 245. doi : 10.1007/978-1-4615-7522-1_16 . ISBN 9781461575221. 2017年9月7日閲覧。

[Lewandowska-4] Lewandowska-Szumieł, M; Komender, J; Gorecki, A; Kowalski, M (1997). 「骨に埋め込まれた炭素繊維強化炭素複合材の固定」. Journal of Materials Science: Materials in Medicine . 8 (8): 485– 488. doi : 10.1023/A:1018526226382 . ISSN 0957-4530 . PMID 15348714. S2CID 26258090 .

[:0-6] 「炭素繊維の特性」（PDF）。ロチェスター工科大学EDGE（エンジニアリング設計ガイドと環境）。2004年5月。2023年2月8日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年1月30日閲覧。

[7] 材料特性データ: 炭素-炭素

[ias-8] LALIT M MANOCHA (2003年4月24日). 「高性能炭素-炭素複合材料」(PDF) . Sādhanā . 28 ( 1– 2): 349– 358. doi : 10.1007/BF02717143 . S2CID 123705345. 2014年6月28日閲覧.

[9] 2000年式メルセデス・ベンツ CL55 AMG F1

[10] ボーイング：カーボンブレーキの運用上の利点

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