炭素繊維複合材料は、炭素繊維と樹脂、金属、セラミックスなどのマトリックスからなる繊維強化材料です。軽量、高強度、耐高温性などの特徴から、近年、航空宇宙、スポーツ・レジャー、高速鉄道などで広く使用されています。自動車や土木分野でも使用されています。炭素繊維複合材料は、高強度と高強度により、優れた耐疲労性、耐腐食性、優れた施工性を備えており、材料特性に特別な要求がある海洋用途に適しています。近年、炭素繊維複合材料は、造船、海洋エネルギー開発、海洋工学修理においてますます重要な役割を果たしています。
1.機内での申請
炭素繊維複合材は、従来の造船材料に比べて優れた利点を持っています。まず、炭素繊維複合材は優れた機械的特性を有しています。船体は軽量で低燃費という特徴を備え、建造プロセスは比較的シンプルでサイクルが短く、成形も容易であるため、鋼船に比べて建造・維持コストが大幅に低くなります。同時に、炭素繊維と樹脂マトリックスの界面が亀裂伝播を効果的に防止するため、材料は優れた耐疲労性を備えています。さらに、炭素繊維表面の化学的不活性により、船体は水生生物が付着しにくく、耐腐食性にも優れています。これは、船舶建造において材料選択における最も重要な要素の一つです。そのため、炭素繊維複合材は造船において独自の総合的な性能優位性を有し、現在この分野で広く使用されています。同時に、応用分野の拡大から炭素繊維産業の発展が促進されてきました。
1.1軍艦
炭素繊維複合材は、優れた音響特性、磁気特性、電気特性を有し、透明、透音性、非磁性の特性を備えているため、軍艦のステルス性能向上に活用できます。艦体上部構造に複合材料を使用することで、船体重量の軽減だけでなく、中間層に埋め込まれた周波数選択層を遮蔽することで、所定の周波数の電磁波を送受信し、敵のレーダー電磁波を遮蔽することができます。例えば、ノルウェー海軍が1999年に建造した「スコルド」級巡洋艦は、ポリ塩化ビニルフォームコア層、ガラス繊維、炭素繊維中間層からなるサンドイッチ複合材を採用しました。この設計は、強度対重量比を向上させるだけでなく、優れた耐衝撃性も備えています。また、低磁性、耐赤外線、耐レーダースキャン特性も大幅に向上しています。2000年に就役したスウェーデンのヴィスビー級フリゲート艦はすべて、軽量化、レーダーおよび赤外線二重ステルスなどの特殊機能を備えた炭素繊維複合材料を使用しています。
炭素繊維強化複合材マストの船舶への応用が徐々に現れてきています。2006年に米国で就役したLPD-17艦は、炭素繊維/バルサコアの先進複合材マストを採用しています。従来のオープンマストとは異なり、LPD-17は新しい完全密閉型マスト/センシングシステム（AEM / S）を採用しています。この炭素繊維複合材マストの上部は周波数選択表面材（FSS）を覆い、特定の周波数の電波を通過させ、下部はレーダー波を反射したり、レーダー吸収材に吸収されたりします。そのため、優れたレーダーステルス性と探知機能を備えています。さらに、各種アンテナと関連機器が構造内に均一に結合されているため、腐食しにくく、機器のメンテナンスが容易です。ヨーロッパ海軍は、ナノファイバー製のガラス繊維に炭素繊維を補強材として組み合わせた同様の密閉型一体型センサーマストを開発しました。様々なレーダービームや通信信号を妨害することなく相互に通過させることができ、損失は極めて低い。2006年には、この先進技術を搭載したマストATMがイギリス海軍の航空母艦「ロイヤル・アーク」に搭載された。
炭素繊維複合材は船舶の他の用途にも活用されています。例えば、推進システムにおけるプロペラや推進軸システムとして使用され、船体の振動や騒音を軽減します。偵察艦や高速クルーズ船で多く使用されています。機械設備の舵、一部の特殊機械装置、配管システムにも使用されています。さらに、高強度炭素繊維ロープは、海軍の軍艦ケーブルなどの軍事用品にも広く使用されています。
1.2民間ヨット
大型ヨットは一般的に個人所有で高価であり、軽量で高強度、そして耐久性が求められます。炭素繊維複合材は、ヨットの計器盤やアンテナ、舵、そしてデッキ、キャビン、船体隔壁などの補強構造に使用されています。従来の複合材ヨットは主にFRPで作られていましたが、剛性不足のため、剛性設計要件を満たしても船体が重すぎる場合が多く、またガラス繊維は発がん性物質であるため、海外では徐々に使用禁止となっています。今日の複合材ヨットにおける炭素繊維複合材の使用割合は大幅に増加しており、中には炭素繊維複合材を使用しているものもあります。例えば、バルチック社のスーパーヨット「パナマ」ダブルバージは、船体とデッキを炭素繊維/エポキシ樹脂外板、ノーメックス®ハニカム、そしてコアセル™構造フォームコアで挟み込み、全長60mの船体でありながら、総重量はわずか210tです。ポーランドのカタマランメーカー、サンリーフ・ヨット社が建造したカーボンファイバー製カタマラン「サンリーフ80 レヴァンテ」は、ビニルエステル樹脂サンドイッチ複合材、PVCフォーム、カーボンファイバー複合材を使用しています。マストブームは特注のカーボンファイバー複合材を使用し、船体の一部のみFRPを使用しています。空荷重量はわずか45t。高速、低燃費、そして優れた性能を備えています。
2014年に建造された「中科聯亜」ヨットは、現在中国で唯一のフルカーボンファイバー製ヨットです。カーボンファイバーとエポキシ樹脂を組み合わせた環境に優しいヨットで、同タイプのグラスファイバー製ヨットに比べて30%軽量で、強度、速度、燃費が向上しています。
さらに、ヨットのケーブルやロープには、安全性を確保するために高強度炭素繊維ロープが使用されています。炭素繊維は鋼鉄よりも高い引張弾性率と数倍から数十倍の引張強度を持ち、繊維の織り合わせた性質も備えているため、炭素繊維ロープをベース素材として使用することで、鋼線ロープや有機ポリマーロープの強度不足を補うことができます。
2. 海洋エネルギー開発への応用
2.1 海底油田・ガス田
近年、炭素繊維複合材料は海洋石油・ガス開発分野でますます広く利用されるようになっています。海洋環境における腐食、高せん断、そして水の底流による強いせん断は、材料の耐食性、強度、疲労特性に厳しい要求を課しています。炭素繊維複合材料は、海洋油田開発において軽量、耐久性、耐腐食性に優れていることが明白です。水深1500mの掘削プラットフォームには、質量約6500tの鋼索が使用されていますが、炭素繊維複合材料の密度は普通鋼の1/4です。鋼索の一部を炭素繊維複合材料に置き換えると、掘削プラットフォームの耐荷重が大幅に低減し、プラットフォームの建設コストを節約できます。吸盤ロッドの往復運動は、海水と管内圧力の不均衡な圧力により、材料疲労を引き起こしやすいですが、炭素繊維複合材料を使用することで、この問題を解決できます。海水環境に対する耐腐食性により、海水中での使用寿命は鋼鉄より長く、使用深度も深くなります。
炭素繊維複合材料は、油田掘削プラットフォームの生産井管、サッキングロッド、貯蔵タンク、海底パイプライン、デッキなどに使用されます。製造プロセスは、プルトルージョン法とウェットワインディング法に分けられます。プルトルージョン法は、一般的な配管や接続管に広く用いられています。ワインディング法は、貯蔵タンクや圧力容器の表面に用いられることが多く、炭素繊維複合材料を特定の角度で巻き付けて被覆層に配置する異方性フレキシブルパイプにも適用できます。
炭素繊維複合材料の連続吸盤ロッドは、フィルムに似たリボン状の構造で、柔軟性に優れています。1990年代に米国で生産・応用されました。炭素繊維を強化繊維とし、不飽和樹脂を基材として、高温で架橋硬化させた後、プルトルージョン法で製造されます。2001年から2003年にかけて、中国は純梁油田で炭素繊維吸盤ロッドと通常の鋼製吸盤ロッドを使用してパイロット試験を行いました。炭素繊維吸盤ロッドの使用により、産油量が大幅に増加し、モーターの負荷が軽減され、エネルギー効率が向上します。さらに、炭素繊維複合吸盤ロッドは、鋼製吸盤ロッドよりも疲労や耐腐食性に優れており、海底油田開発への応用に適しています。
2.2 洋上風力発電
海上の豊富な風力発電資源は、将来の発展にとって重要な分野であり、風力発電技術の中でも最も先進的で需要の高い分野です。中国の海岸線は約1800キロメートルに及び、6000以上の島嶼を有しています。南東部沿岸および島嶼地域は風力資源が豊富で、開発が容易です。近年、関係部門は洋上風力発電の開発促進に向けた取り組みを支援してきました。風力発電ブレードの重量の90%以上は複合材料で構成されています。海上での強風と高発電量は、より大きなブレードと、より高い比強度と耐久性を必要とします。明らかに、炭素繊維複合材料は、大型、軽量、高性能、低コストの発電ブレードの開発要件を満たすことができ、ガラス繊維複合材料よりも海洋用途に適しています。
炭素繊維複合材は、海洋風力発電において大きな利点を持っています。炭素繊維複合材ブレードは、低品質で高剛性であり、弾性率はガラス繊維製品の3～8倍です。海洋環境は湿度が高く、気候が変わりやすく、ファンは24時間稼働しますが、ブレードは耐疲労性に優れ、悪天候にも耐えることができます。ブレードの空力性能を向上させ、タワーと車軸への負荷を軽減することで、ファンの出力がよりスムーズでバランスが取れ、エネルギー効率が向上します。特殊な構造設計による導電性により、落雷によるブレードの損傷を効果的に回避し、風力タービンブレードの製造および輸送コストを削減し、振動減衰特性も備えています。
3.海洋工学への応用
炭素繊維複合材料は海洋工学建築物に使用されています。主に軽量、高強度、耐食性などの特性を活かし、従来の鋼製建築材料をテンダーや構造部品の形で代替することで、海水浸食による鋼材の輸送コストの高さという問題を解決しています。沖合の島礁建築物、ドック、浮体式プラットフォーム、灯台などに応用されています。炭素繊維複合材料の工学修復への利用は1980年代に始まり、日本の三菱ケミカル株式会社は炭素繊維複合材料の機械的特性と工学補強への応用研究を主導しました。当初の研究は炭素繊維複合材料を用いた鉄筋コンクリート梁の補強に重点が置かれていましたが、その後、様々な土木工学の補強・補強へと発展しました。炭素繊維複合材料による海上石油プラットフォームや港湾の補修は、その応用分野の一つに過ぎません。関連文献は数多く存在します。特筆すべきは、米国のDFI社が海軍真珠湾ターミナルの補修に炭素繊維ロッドを使用したことです。当時、技術者たちは革新的な炭素繊維ロッドを用いて補強材を補修していました。炭素繊維ロッドで補修されたドックは、高さ2.5mから9tの鋼材を持ち上げても損傷することなく落下し、その効果は明らかです。
海洋工学における炭素繊維複合材の応用としては、海底パイプラインや柱などの補修・補強があります。従来の溶接、溶接部改良、クランプ、グラウトなどの補修方法はそれぞれ限界があり、海洋環境ではこれらの方法の使用がさらに制限されます。炭素繊維複合材の補修は、主に炭素繊維布やエポキシ樹脂などの高強度・高接着性の樹脂材料を補修面に接着することで行われるため、薄くて軽く、強度が高く、耐久性に優れ、施工が簡単で、さまざまな形状に適応できるなど、大きな利点があります。
投稿日時: 2019年3月23日