省エネルギー化に寄与する繊維強化プラスチック（FRP）の強度試験削減といった社会ニーズを満足するため、全世界

1. はじめにの 風 力 発 電 の 需 要 は、2010 年 の 190GW に 対 しCFRP（カーボン繊維強化プラスチック：Carbon

2025 年に 950GW と、15 年間で 5 倍程度の伸びがFiber Reinforced Plastics）や GFRP（ガラス繊維強化予測される。そのため、発電効率を上げるためのプラスチック：Glass Fiber Reinforced Plastics）に代表

回転翼の長大化に対し、軽量化の手段として FRPされる FRP（繊維強化プラスチック：Fiber Reinforcedを適用し省エネを図っている。また、陸上と比べPlastics）は、エポキシ樹脂やフェノール樹脂などて大きな風力が得られやすい海上での浮体式洋上に、炭素繊維やガラス繊維などの繊維を複合して発電の運用も開始された。炭素繊維協会の風車ラ強度を向上させた強化プラスチックである。一般

イフサイクルアセスメント（Life Cycle Assessment：的に、高強度（鉄の 3 倍程度の比強度）かつ軽量（鉄LCA）では、1kWh あたりの CO2 の排出量は、火力の 1/5、アルミニウムの 1/2 程度の比重）である他、発電が 860g であるのに対し、CFRP 適用風力発電

耐候性・耐食性・耐熱性・断熱性・電波透過性おでは 5g と試算されている。

よび電気絶縁性などに優れる特長があり、CFRP に（2）自動車部材（3）

ついては航空宇宙、スポーツ、医療および工業製品

日米欧各国は、地球温暖化問題の対策のため、分野で、また GFRP については超電導を使用する自動車排出ガス規制や燃費規制を強化している。

極低温環境下や電気関係での適用が進んでいる。

そのため、自動車メーカ各社は規制クリアに向しかしながら、FRP の強度特性は、①樹脂（基け、電気自動車の市場導入と低燃費技術の開発を材）と補強材それぞれの強度特性、②補強材の含推進している。炭素繊維協会の自動車 LCA では、有率、③成形方法、条件など、④作用する負荷の平均的自動車の車体重量の 17％に CFRP を適用し（1）種類、負荷条件などの要因 および⑤使用環境、た場合、車体重量を 30％軽量化可能となり、燃料によって決定されるため、さまざまな条件での試消費を軽減することで省エネに寄与する。素材製験が要求される。そのため、当社では、お客さま造、 組 立、 廃 棄 を 含 む CO2 の 削 減 量 は、1 台 でのご要望を把握しつつ、試験メニューを拡張する

10 年あたり 5 トンである。

取り組みに注力している。

（3）航空機

（2）
（4）
（5）

エアバス A380 以降、複合材の使用比率が大幅

2. 省エネルギー（省エネ）化および低環境負荷実現に向けた動向に増加し、エアバス A350 やボーイング B787 では

FRP の需要拡大の背景は、冒頭に述べたとおり機体構造重量の約 50％に達した。この結果、B787
では同サイズの B767 と比較して、燃費が約 20％、である。昨今のトピックスを以下に示す。
（2）（1）風力発電CO2 が約 20％、NOx が約 15％削減された。炭素繊

世界的な原子力政策の見直しや温暖化ガス排出—

維協会の航空機 LCA では、B767 の機体構造の 50％
58—

に CFRP を適用した場合、従来の 3％時と比較し3. 当社の FRP 強度試験て機体重量を 9％軽量化可能となり、燃料消費を削減して省エネ化を図り、結果、素材製造、組立、当社では、航空宇宙、エネルギー資源、船舶海廃棄を含む CO2 の削減量は、1 機で 10 年あたり洋などの分野に適用される FRP の試験を受託して2.7 万トンである。

いる。また、素材（繊維、樹脂）、積層材および製（4）炭素繊維のリサイクル品実体など、各工程における供試体を対象に試験を行っている。以下に、近年、サービス化した試

炭素繊維は製造時にエネルギーを多く消費するため、現状は埋め立て廃棄されている。CFRP を験メニューについて説明する。

リサイクルすることにより、製造のために消費さ（1）単繊維（モノフィラメント）の引張試験（8）単繊維の強度評価を行うため、図 1（a）（b）に外れるエネルギーが大幅に削減されることが期待さ（6）れる 。しかしながら、リサイクルされた炭素繊観と構成を示す単繊維引張試験機（LEX820、荷重維はバージン炭素繊維より物性が低下すると考え容量 2N）を導入した。本試験機は炭素繊維、ガラられるため、本格的なリサイクルは始まっていな

ス繊維、セラミックス繊維などの引張強度を測定

（7）

い 。

するための高精度な引張試験機である。
本試験機は、表 1 に基本性能を示すとおり、試（9）験速度の微調整と、JIS R 7606 で要求されるゲー（a）外観（b）構成

図1

単繊維引張試験機

表1—

基本性能59—IIC REVIEW/2021/04. No.65

（2）繊維束の引張試験

ジ長 25mm よりも短い単繊維での試験が可能である。また、装置コンプライアンス補正機能を有し繊維束については、ドライバンドル強度評価をており、縦弾性係数や伸びの取得にあたり、不要目的とした繊維束引張試験と樹脂含浸ヤーン引張となる成分（試験機・試験片接着部・試験片台紙試験の二通りを行っている。ここでは、樹脂含浸またはプラスチックタブなどの剛性）を除去し、ヤーン引張試験について説明する。
（11）

繊維単体の物性を取得することができる。

JIS R 7608で要求される樹脂含浸ヤーン引張本試験機で取得可能な値は、繊維径（繊維種に試験は、繊維束での強度試験が可能である反面、よる）、縦弾性係数、最大荷重、引張強さ、伸びお繊維の逐次破断に起因する測定強度不足を発生すよび装置コンプライアンス補正値である。また、ることがある。例えば図 3 に示す事例では、試験（10）で要求される報告項目チャート中に変位の増加にともなう試験力の不規を満足する。図 2 に、PAN 系炭素繊維単繊維引張則な変化が見られ（図 3（a））、繊維の逐次破断が試験の事例を示す。

発生していることが推測される。また、破断後のJIS R7606 および R1657

図2PAN 系炭素繊維単繊維引張試験（a）試験チャート（b）試験片外観

図3

樹脂含浸ヤーン引張試験—60—

つか（3）積層材の強度試験

試験片に、掴み部付近を起点とする縦方向の割れがある（図 3（b））。

当社は、ASTM、JIS、日本海事協会規定などにそのため、試験片の製作仕様と掴み方法の改良準拠した、引張、圧縮、曲げ、面内せん断、層間と、最適化を検討した。図 4 に示す事例では、変せん断、ショートビームせん断、疲労試験などを位の増加にともない試験力が一様に公称強度程度受託している。図 5 に、これらに用いる試験治具まで増加し、瞬時に無荷重となる（図 4（a））。ま（ASTM 準拠）の例を示す。これらの試験においた、試験後、試験片中央付近の局所に、断面方向て、試験片を液体窒素に浸漬する条件での極低温の分離が認められる（図 4（b））。これらより、繊試験（-196℃）や、恒温槽を用いた低温、高温試験

維の逐次判断や縦方向の破断を起こすことなく、（-180 ～ 300℃）にも対応している（試験片寸法や試験性能が大きく向上したものと考えられる。

試験治具耐熱性による制約あり）。図 6 に、極低せき温引張試験（図 6（a））、低温三点曲げ試験（図 6当社ではこのように、試験片設計や試験条件の（b））の事例を示す。

最適化の検討を含み、一貫した試験サービスを提供している。

（a）瞬時破断の試験チャート

図4（b）瞬時破断の試験片外観

試験片・試験条件最適化後樹脂含浸ヤーン引張試験

図5

試験治具の例（ASTM 準拠）—

61—

IIC REVIEW/2021/04. No.65

（a）極低温引張（b）低温三点曲げ

図6試験事例（3） PAN 系炭素繊維の現状と将来：第 29 回複合

4. おわりに

材料セミナー資料、日本化学繊維協会炭素繊維協会委員会、2016

FRP の需要は今後も社会ニーズの変化に応じて拡大し、また高性能化も進むものと期待される。

（4） PAN 系炭素繊維の現状と将来：第 30 回複合

また、ライフサイクルアセスメントに基づき、回材料セミナー資料、日本化学繊維協会炭素繊

収 CFRP から得られたリサイクル炭素繊維の活用

維協会委員会、2017に向けた研究などが脚光を浴びている。そのよう（5） PAN 系炭素繊維の現状と将来：第 31 回複合な状況の中、当社は、今後も、お客さまのニーズ

材料セミナー資料、日本化学繊維協会炭素繊に適した試験サービスを提供していく。また、当維協会委員会、2018

社が技術保有するアコースティックエミッション（6） 加茂：炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の法（Acoustic Emission：AE）やデジタル画像相関法

リサイクルの現状と課題、廃棄物資源循環学（Digital Image Correlation：DIC）を併用した、付加会誌、第 29 巻、第 2 号、2018、pp.133-141（7） 金升他：航空機複合材廃材のリサイクル利用価値のある試験サービスも提供していきたい。

による環境負荷低減、三菱重工技報、第 55
文責巻、第 2 号、2018、pp.1-5計測事業部 材料試験部 次長

深澤強（8） 佐藤浩幸、深澤強：単繊維引張試験・モノフィ

計測事業部 材料試験部 次長

佐藤 浩幸

ラ メ ン ト 試 験 機 の 機 能 紹 介 と 適 用 例、IIC

計測事業部 材料試験部

鈴木 菜摘

REVIEW、No.62、2019/10、pp.45-52（9） JIS R 7606:2000：炭素繊維－単繊維の引張特参考文献

性の試験方法（10）JIS R 1657:2003：長繊維強化セラミックス複（1） 藤井：強化プラスチックの強度特性、材料、合材料の強化材特性試験方法

第 14 巻、 第 139 号、 日 本 材 料 学 会、1965、（11）JIS R 7608:2007：炭素繊維－樹脂含浸ヤーン

pp.308-315

試料を用いた引張特性試験方法（2） 尹聖昊：軽量化と炭素繊維（炭素繊維複合材料）、素子材料工学特論第 8 講義、2012—62—