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材料工学の
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テニスラケットから車まで、どうして炭素が使われているの?

材料工学

テニスラケットから、車や飛行機まで、「カーボン」が使われているって聞いたんだけど、どうして金属じゃなくてカーボンなの?

  • テニスラケットに使われている「カーボン」って炭素のことですよね? 車や飛行機にも使われているって聞いたんですけど、どうしてですか?
  • お、いいところに目をつけたね。一口に「カーボン」といっても、いろいろな素材がある。いくつか、みてみようか。
  • はい!
  • まずは、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)! 炭素繊維はアクリル繊維を繰り返しより高温で蒸し焼きにして炭素以外の元素を離脱させて生成する。
  • そのほとんどが炭素で構成されていて、直径5ミクロン程度でありながら非常に強靭な繊維なんだ。そのカーボン繊維をプラスチックとともに成形するとできるのがCFRPだよ!
  • 「炭素繊維強化プラスチック」! なんだか、かっこいい!
  • ふふふ。CFRPは、ほかの素材に比べて圧倒的に軽くて強く、耐久性も高いのが特徴だよ。さらにほとんど金属疲労のような「疲労」はしないと言われている!
  • え! すごい! じゃあ金属を使うよりも、CFRPをじゃんじゃん使うほうがいいんだ。
  • ところが、そう簡単にはいかないんだよ。金属と比べて新しい素材だけに未知の部分も多く、衝撃などさまざまな力を与えると、想定していたのと違う場所が壊れるなど、予想外のことが起こる。生産に非常にコストがかかるのも課題だね。
  • そっか……。その問題は、どうしようもないんですか?
  • もちろん、課題解決の研究も進められているよ! 例えば、光ファイバーを埋め込み、光を通して、光ファイバー内の反射光の波長の変化を感知することで、歪み、すなわち損傷個所を知るという技術が研究されている。
  • また、バスタブや洗面台に使われるFRP(繊維強化プラスチック)と同じ方法でリサイクルできることがわかってきたんだよ。
  • おー、いろいろな可能性が出てきた。
  • その通り! さらに、炭素原子でできた新素材について紹介しよう。カーボンファイバーの「さらに次の材料」と言われる、カーボンナノチューブだ!
  • 硬さ・強さはダイヤモンド並み、同じ重さの鉄の数百倍の強度があり、アルミの2/3という軽さ。炭素繊維と違って電気をよく通し、熱もよく伝える、構造によっては半導体にもなるという材料だね。炭素原子がチューブ上に結合した構造なので、炭素繊維と違って折り曲げたり丸めたりすることもできるんだ。
  • そんな夢のような材料もあるんですか!?
  • そうなんだよ! 例えば自動車の車体を従来の鉄からカーボンナノチューブに置き換えると重さは約3分の1になると考えられる。さらに、自動車の配線に使われているケーブルの重さを合わせると約20キロなんだけど、これをカーボンナノチューブに替えれば重量は数百グラムになるんだ!
  • ずいぶん軽くなるんですね。やっぱり、軽いほうがいいんですか?
  • 重さが3分の1になると燃費は約3倍向上するから、それだけ燃料を使わずに済み、輸送費が大幅に削減できるね。
  • 重さが減るだけでも、いろいろな効果があるんですね。
  • ほかにも極小化が進む半導体の世界では、いずれ主に使われているシリコンでは限界がくると言われている。だけど、カーボンナノチューブならば、1ナノメートルのレベルで、高性能のCPUやメモリを作れるんだ!
  • なるほど! 素材を開発するって、すごい幅広い分野に関わっているんですね。
  • そうだね。材料工学は、新材料で社会を変えていく学問とも言えるね。例えば、医療分野でも人工の骨などの生体材料が研究されているよ。興味があったら調べてみよう!
  • はーい!
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