はじめに
CFRP（炭素繊維強化プラスチック）およびGFRP（ガラス繊維強化プラスチック）は、そのユニークな材料特性により、多くのハイテク用途に不可欠です。CFRPとGFRPの主な特徴は、高い強度と軽量性です。これに加えて熱伝導率が低いため、航空宇宙、自動車、電子機器などのハイテク用途に最適です。その方向性（異方性）のある熱伝導率は、繊維間の熱伝導率よりも繊維に沿った熱伝導率の方が高いため、その応用において特別な役割を果たしている。層状構造により、繊維の向きを変えることで、狙った方向に熱を放散させたり、効果的に断熱したりすることができる。この柔軟性により、人工衛星の温度変化の最小化やバッテリーの熱調節など、オーダーメイドのソリューションが可能になる。
測定条件と結果
熱特性の測定には、レーザー/光フラッシュ分析が特に適しています。まず、LFA 717 HyperFlash® のような装置を用いて、方向の関数である熱拡散率を測定します。その後、密度と比熱容量のデータを適用して、同じく方向の関数である熱伝導率を計算します。測定条件の詳細は表1に示す。
表1：測定パラメータ
| 分析装置 | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| 試料サイズ | 10 mm x 10 mm x 2.5 mm - 面内 10 mm x 2.5 mmのストリップ数枚 - 面内 |
| 試料ホルダー | 10mm角 - 面内 10mmラミネート試料ホルダー-面内 |
温度 ポイント | 20～150℃（10Kステップ |
| 雰囲気 | 100 ml/分,N2 |
図1にGFRPの面内方向(繊維に平行)と面内方向(繊維に垂直)の熱拡散率を示します。熱拡散率は、温度の上昇とともにわずかに減少する。110℃から130℃の間では、small の勾配の変化が見られ、ポリマーマトリックスのガラス転移を示している。面内方向の熱拡散率は、面内方向よりも約35～40％高い。
CFRP材も同様に図2に示す。ここでも、面内熱拡散率は面内熱拡散率よりも高い。
CFRP材の場合、GFRP材よりも方向差がかなり大きい。GFRP試料のように35～40％ではなく、500～600％です。この顕著な差は、ガラス繊維よりもはるかに高い熱拡散率を持つ炭素繊維によるものです。このことは、すべての測定結果をまとめた図3を見れば一目瞭然である。
結論
LFA法はまた、熱拡散率と熱伝導率を方向の関数として決定することができ、ハイテクアプリケーションの設計と建設に重要なデータを提供する。