SAMPE JAPAN 先端材料技術展2015

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）基本講座

２０１5年1２月2日 東京ビッグサイト東４ホール

ＣＦＲＰの基礎知識
機械的特性と物理的特性を活かせる開発㈱エーシーエム 石川 源
2015.12.2

CFRPhoneⓇ

音板の長さ（300ｍｍ）、厚み（10ｍｍ）、幅（40ｍｍ）が一緒

CFRPって？-その１・炭素繊維とプラスチックを複合してできた素材：
炭素繊維は、強く・軽く・細い素材ではあるけれど、“糸束”でしかありません。自分だけでは機能・性能を発揮できません。
プラスチックとミクロにしっかり手をつなぐことで、自分の素晴らしい能力を、“CFRP”という固まりとして発揮します。
“CFRP”は、プラスチックの一種ですが、“プラスチック加工”という分類の「もの作り」ではありません。一般にFRP（正しくはGFRP：ガラス繊維強化プラスチック）と呼ばれているものは、標準品性能・機能が知られていますが、“CFRP”という素材には“標準品”というものはありません。

ＣＦＲＰは炭素繊維の性能・機能を活かした素材を目的に合うように設計・製作

CFRPって？-その2・異方性材料：
配置する炭素繊維の種類・位置・量・方向により性能発現。
ＣＦＲＰ板は、方向によって性能・機能が変わります。

CFRPhone は
炭素繊維の種類・位置・量・方向を変えることで、２オクターブ半の音階達成

CFRPって？-その3・CFRPに使われるプラスチック
一般的に熱硬化性樹脂マトリックス品は“ＣＦＲＰ”、熱可塑性マトリックス品は“ＣＦＲTP”と称されています。
マトリックス（母材）として使用されているのは①熱硬化性樹脂：
エポキシ、ポリエステル、フェノール、熱硬化性ポリイミドなどがあります。樹脂によってＣＦＲＰ特性が変わります。
エポキシマトリックスのＣＦＲＰは、力学的物性が高く、広範囲の用途に採用されています。
②熱可塑性樹脂：
ＣＦＲＴＰ用材料は、国内では未だ開発段階でポリアミド（ＰＡ： ナイロン）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）の製品などの探索・開発が進められています。

熱硬化性CFRPって？
・成形に時間が掛かる通常の材料（プリプレグ）を硬化させるには２時間以上。
近年開発された速硬化タイプは５分まで短縮。

・塑性変形しない出来上がった製品（板、棒など）を曲げることはできません。ということは、“限界ひずみを超えると脆性破壊”します。

・溶接できない
ＣＦＲＰ同士の場合も、金属などの異種材料との場合も結合は“接着”あるいは“機械的結合”（ボルトアップ、リベットなど）で行います。結合をより確かにするためには“接着＋機械的結合”の併用が望ましいです。

・耐熱温度は樹脂支配 （Tｇ：ガラス転移温度によります）
汎用エポキシは１３０℃、耐熱エポキシは１８０℃です。
加熱時は温度や樹脂の種類によりますが、強度・弾性率は少し下がります。

＜参考＞熱可塑性CFRPって？
・成形時間が短い
熱硬化型では通常2時間加熱保持する必要があるのにＣＦＲＴＰは１分以内で成形完了できます。

・再成形（二次成形）できる出来上がった製品（板、棒など）に熱と圧力をかけることにより、曲げたりする再成形が可能です。
樹脂との接着力が小さく、大きな力が掛かると樹脂が伸びて、熱硬化ＣＦＲＰと違い一瞬で破壊することなく、延性破壊します。

・熱融着できるCFRTP同士の場合、短時間に熱融着が可能です。熱板、振動超音波、抵抗、誘導などの方法があります。
異種素材との熱融着の研究開発も取組まれています。

・リサイクルしやすい
加工歩留りも高く、シート材にして性能も大きく落とさず再生利用できます。

CFRPの特長その１
軽量： 比重１．５～１．７

CFRPの特長その２
高強度： ７００～３３００ MPa（鉄：S45Cは７００ MPa）

高剛性： ５５～４５０ ＧＰａ（鉄：S45Cは２００ GPa）

炭素繊維はPAN系、ピッチ系の２種類
それぞれ多くの製品グレード

物理的物性も大きく異なるグレード

TC（熱伝導率）
10 W/m・K

800 W/m・K
600 W/m・K

CFRPの特長その３

寸法安定性： 低熱膨張率 （３ ppm以下）
炭素繊維 マイナス ： 樹脂 プラス（-0.4～-1.5ppm）（+50ppm）
ゼロ熱膨張狙いも可能（繊維種類、方向制御）
製品例）天体望遠鏡、検査用ジグフレーム

軽量＋高剛性＋低熱膨張率（寸法安定性）
軽量＋高剛性＋寸法安定性

CFRP定盤

先端材料技術展2015 出展

780GPa超高弾性率CF仕様天板＋CFRP梁構造にて平面度18μm
寸法：3000L x 930W x 80t、重量76kg

CFRPの特長その３
寸法安定性： 低熱膨張率 （３ ppm以下）
炭素繊維 マイナス ： 樹脂 プラス（-0.4～-1.5ppm）（+50ppm）
ゼロ熱膨張狙いも可能（繊維種類、方向制御）
製品例）天体望遠鏡、検査用ジグフレーム
 振動特性： 高い比剛性（鉄の5倍）が可能
振動減衰性、共振・騒音防止などの性能・機能を発現
製品例）液晶パネル搬送ハンド、センサー部品


軽量＋比剛性＋振動減衰性

第１０世代液晶パネル搬送ハンド
CFRPアーム（長さ：３．２ｍ ﾔﾝｸﾞ率：２００ GPa）
高弾性率（640GPa）グレード+PAN系高強度（230GPa）グレード のハイブリッド

軽量＋比剛性＋振動減衰性

ウェハー搬送ハンド
超高剛性(鉄の２倍)成形板より機械加工
超高弾性率（780GPa）グレード+PAN系高強度（230GPa）グレード のハイブリッド

S90GPa

R 70GPa

先端材料技術展2015 出展

CF☆blade
CFRP製エアロバー
2.5ｔ ｘ 50ｍｍW ｘ 1200ｍｍL
PAN系高強度（230GPa）グレード

積層設計にて変化CFRPの特長その３
寸法安定性： 低熱膨張率 （３ ppm以下）
炭素繊維 マイナス ： 樹脂 プラス（-0.4～-1.5ppm）（+50ppm）
ゼロ熱膨張狙いも可能（繊維種類、方向制御）
製品例）天体望遠鏡、検査用ジグフレーム
 振動特性： 高い比剛性（鉄の5倍）が可能
振動減衰性、共振・騒音防止などの性能・機能を発現
製品例）液晶パネル搬送ハンド、センサー部品
 高熱伝導率： 2～３００ W・ｍ／℃
炭素繊維 10～600W/m・K ： 樹脂 0.2W/m・K
繊維配置面内方向にのみ発現
製品例）人工衛星電池ケース、スプーン
先端材料技術展2015 出展

WARM TECH SPOON
高熱伝導率(500W）仕様CFRP
300W/m・K

鈴木工業㈱ 提供

CFRPの特長その３
寸法安定性： 低熱膨張率 （３ ppm以下）
炭素繊維 マイナス ： 樹脂 プラス（-0.4～-1.5ppm）（+50ppm）
ゼロ熱膨張狙いも可能（繊維種類、方向制御）
製品例）天体望遠鏡、検査用ジグフレーム
 振動特性： 高い比剛性（鉄の5倍）が可能
振動減衰性、共振・騒音防止などの性能・機能を発現
製品例）液晶パネル搬送ハンド、センサー部品
 高熱伝導率： 2～３００ W・ｍ／℃
炭素繊維 10～600W/m・K ： 樹脂 0.2W/m・K
繊維配置面内方向にのみ発現
製品例）人工衛星電池ケース、スプーン
 非磁性： 渦電流発生少→電磁誘導発熱少製品例）リニアモーターケース
CFRPの特長その４・耐蝕性： 耐候性、耐酸・耐アルカリ
炭素繊維層が紫外線を透過しない（ＧＦＲPとの違い）
溶剤（アセトンなど）には弱い（母材：エポキシ樹脂）
製品例）耐震補強（橋脚、床版）、ケーブル、工業タンク

・導電性：
電気伝導度の違いから、金属との接合時絶縁考慮
特にアルミとの接合時はＧＦＲP層介在にて絶縁（0.2mmでOK）
製品例）面状発熱体、静電気対策部品

・X線透過特性： アルミの８倍透過
製品例）天板、カセッテ、その他X線機器部品

・疲労特性： 金属と比べ、高疲労強度
製品例）自動車部品、自転車部品、スポーツ用品、機械部品

軽量＋比剛性+疲労特性
先端材料技術展２００９

優秀製品賞受賞

先端材料技術展2015 出展

建築家 青木淳氏提供

Ultra-long Cantilever Lighting Fixture （LED内蔵）
20ｔ x 250W x 7000L （6m片持ち中空角パイプ構造）
PAN系超高弾性(540GPa）グレード

CFRPの特長その４・耐蝕性： 耐候性、耐酸・耐アルカリ
炭素繊維層が紫外線を透過しない（ＧＦＲPとの違い）
溶剤（アセトンなど）には弱い（母材：エポキシ樹脂）
製品例）耐震補強（橋脚、床版）、ケーブル、工業タンク・導電性：
電気伝導度の違いから、金属との接合時絶縁考慮
特にアルミとの接合時はＧＦＲP層介在にて絶縁（0.2mmでOK）
製品例）面状発熱体、静電気対策部品

・X線透過特性： アルミの８倍透過
製品例）天板、カセッテ、その他X線機器部品

・疲労特性： 金属と比べ、高疲労強度
製品例）自動車部品、自転車部品、スポーツ用品、機械部品

・摺動特性： 低摩擦係数
製品例）ポンプリテーナー

ＣＦＲＰは、PAN系／ピッチ系ＣＦの特性を生かした複合材料①
航空宇宙

航空機（主翼、尾翼、胴体）、ロケット（衛星フェアリング、段間部）

PAN
高強度、耐疲労性、耐熱性

人工衛星（構体・トラス、アンテナ、ソーラーセルパネル、バッテリーケース）、電波望遠鏡（アンテナ、トラス）

PAN/ピッチ剛性、低熱膨張、高熱伝導性

自動車・車輛

レーシングカー、プロペラシャフト、ボディ骨格・外板パネル
鉄道車体・台車フレーム

PAN
高強度、耐熱性、耐疲労性、
振動減衰性

スポーツ

釣竿、ゴルフシャフト、ラケット、自転車、
野球バット、弓、マリンスポーツ（ヨット船体・マスト、競技用ボート）、スキー用具PAN/ピッチ
剛性、耐候性、振動減衰性、耐疲労性

建築・土木

コンクリート補強（橋脚、床版）、ケーブル、ロッド

PAN/ピッチ
高強度、剛性、 耐腐蝕性、耐候性

ＣＦＲＰは、PAN系／ピッチ系ＣＦの特性を生かした複合材料 ②
環境・ｴﾈﾙｷﾞｰ

風力ブレード、CNG/水素/空気タンク、
PAN/ピッチ
フライホイール、油田掘削ライザー・パイプ 高強度、剛性、耐腐蝕性、疲労性

電子・音響

ノート・タブレットハウジング、プリンター部
品、オーディオ部品

PAN/ピッチ
高強度、剛性、 振動減衰性、 電磁波シールド性

医療・介護

天板、カセッテ、手術用部品、車いす、杖
人工骨、介護機器

PAN/ピッチ
高強度、剛性、X線透過性、疲労性

産業機械

ロボットアーム、工業用ローラー/シャフト、板バネ、繊維部品

PAN/ピッチ
剛性、耐疲労性、振動減衰性

その他

傘、カバン、家具（テーブル、イス）、楽器
樹脂型、メガネ

PAN
高強度、耐疲労性、耐腐蝕性

耐耐先端材料技術展2015 出展

ウクレレブラック
高響性、超薄肉、最軽量(400g）CFRP屏風
４曲１隻 （全開にて 1820mmx1820mm）
枠・格子：超高弾性率CF + 高強度CF
ヒンジ：軟質エポキシ樹脂
先端材料技術展2015 出展

CFRP積層設計の基本（プリプレグの）ミラー対称積層が基本
・硬化後の室温までの冷却時に熱歪み（反り）を生じさせない炭素繊維（ＣＦ）はマイナスの線膨張率（－０．３ｐｐｍ以下）
樹脂はプラスの線膨脹係数（エポキシ樹脂は４５ｐｐｍ以上）

加工によるひずみ発生を考慮した構造・積層設計“内部応力の不均一化” を考慮“繊維”強化素材であることを常に意識
機械的物性は異方性を考慮（繊維強化素材）
・弾 性 率 ： ４５°方向
１０％強（０°配向品比） ： ０°／ ９０°織物の４５°方向
２５％： ０°／ ±４５°／ ９０°疑似等方積層 ３０％強

板プロセス

真空バッグ成形法

厚み0.1 mm ～ 60 mm

幅MAX 3200 mm

長さMAX 3600 mm

製品特性（0°方向 ）引張強度： MAX 2700 Mpa
引張弾性率： 350 GPa

パイプ
内型／外型成形、シートワインディング成形
内型／外型成形、シートワインディング成形
高精度の内寸・外寸・肉厚
長さ MAX 3600 mm
製品特性 （軸方向）
引張強度： MAX 2700 MPa
引張弾性率： MAX 350 GPa

②構造設計

①材料設計

③成形

キャッチボール⑤接合・組立各製品作りのプロセスは相互に影響を受ける→品質作り、コストダウンのため、常にフィードバックが必要
CFRP液晶パネル搬送ﾊﾝﾄﾞ④機械加工

工場見学大歓迎！
ＣＦＲＰの作り方は「百聞は一見にしかず」