自動車用 CFRP 技術の最新動向
影.
山裕史

自動車と環境エコカーへの取り組み

地球温暖化や資源枯渇等の地球環境問題への取り組みは自動車も例外ではなく，エコカー開発など，各社，開発を強化している．トヨタ自動車においてもプリウスをはじめとしたHV 車の販売台数が年々増加し，2013年末に累計が600万台を超えた． HV 車以外にも電気自動車( EV )や燃料電池車( FC)，代替燃料などのエコカーの開発を並行して実施中である．


軽量化による CO2 低減

図1

今後の軽量材料．

図2

CFRP の特徴．

エコカー開発において切っても切れないのが軽量化で，これによる低燃費化，それに伴う CO2 削減努力により地球温暖化に貢献しようとする試みも増え続けている．軽量化として，高張力鋼板の開発・導入が積極的に進められている．また，非鉄や樹脂といった軽量素材が増えてきている．特に樹脂は車全体の 1 割程度まで増えてきた．樹脂化のほとんどは，内装材だが，それ以外にも，燃料タンクやエンジン吸気系のインテークマニホールドなど，耐腐食性や形状自由度といった樹脂ならではの特徴を活かした部品への展開も確実に増え続け， 30 近い部品軽量化に繋がっている．今後は，金属，無機，有機材料のそれぞれの研究が更に進む一方，それらを複合化(ハイブリッド化)することにより，それぞれの特徴を活かす新たな位置づけの材料開発が進んでいくものと考える．表題の CFRP(carbonfiber reinforced plastic)も，い，強い，固い，寸法精度が良いなどの特徴(図)から航空無機の CF(炭素繊維)で R(強化)した P(プラスチック)で，宇宙素材として揺ぎ無い位置づけを保っている．その技術がこれまで航空宇宙や F1 ボデー材料であった CFRP の自動車

欧州を中心に自動車部品にも拡大されつつある．その中でもへの量産展開が，期待されている(図)．

プロペラシャフトは少量ながらも古くから採用されてきた部品である．最近では，燃料電池車に搭載される水素タンクの.


自動車と CFRP の現状

世の中の動向素材としても採用が進んできている．また，スーパースポー
ツ車のボデーにも F1 の CFRP モノコック技術が採用されてきている．CFRP に変えることで F1 での事故死亡率が激減

CFRP は，前述したように高性能繊維の炭素繊維によりしたという．また，スポーツ車の外板にも欧州を中心に採用強化された樹脂系複合材料であり，高価格ではあるが，軽が 目 立 っ て き てい る ． 更 に エ コ カ ーで は ， BMW が i3 で株 (〒105金沢工業大学教授高信頼ものづくり専攻(元)トヨタ自動車
0002 東京都港区愛宕 134 愛宕東洋ビル12F)
Today's and Future's CFRP Materials for Automobile; Yuji Kageyama(Kanazawa Institute of Technology, Tokyo)
Keywords: CFRP(carbonfiber reinforced plastic), ecofriendly car, recycle, cost, LCA(life cycle assessment)
2014年 7 月22日受理[doi:10.2320/materia.53.612]

小特集CFRP ボデー車を昨年量産化した．今後の市場動向が注目

炭素繊維をランダムに配向させ樹脂と複合化したコンパウン

される．また，CF メーカーと自動車メーカーのコラボも進ドをシート状にし，型にセットした後，高圧下で押しつぶしんできている．東レとダイムラー(熱硬化 CFRP )，帝人と流動させ，加熱硬化させる工法である．そのため，複雑な形GM，三菱レイヨンと BMW(CF 原料のプリカーサの供給)，状が得られるのが特徴で，大型ピラーなどの複雑形状の 2

Aksa と Dow などで，今後のコラボの動向が注目される．

次骨格部材として採用した． CFRP の材料，工法の開発に

切っても切れないのが接合で，特に接着剤の開発に時間を要

トヨタの現状した．最終的に 3 つの接着剤を採用した．一つ目は，ペー

そうした中，トヨタの CFRP の使用は，残念ながら F1 はスト状の高強度接着剤で，硬化部品同士を強く接着するのに中止になったが，モータースポーツでは古くから使用してお用いた． 2 つ目は，未硬化および硬化 CFRP の接着に用いり，今後も継続する予定である．一方，量産車への検討につたフィルム状である．3 つ目は，今回，専用に開発した異種

いては， 30 年くらい前に国家プロジェクトに参画．近年，材接合用のシート状接着剤である．主要な接合部には，ねじ燃料電池車用の水素タンクの開発を行い， CFRP ボデーの加工されたアルミインサートが必要で，これを包むようにレクサス LFA 開発という形で再チャレンジすることになっCFRP を配置させ，高温で硬化させるため，冷やす過程でた ( 図) ． 図 中 に LFA の メ イ ン ボ デ ー の 65  を 占 め る

必 ず ， CFRP と ア ル ミ が 剥 が れ る と い っ た 問 題 に 直 面 し

CFRP 部品とその材料・工法を示した．残りの部分は，アた．そのため，線膨張差を吸収できる柔軟性のある，厚み 1ルミである． CFRP の部分は，要求性能に合わせて主としmm のシート状接着剤を開発することになった．ただし，こて，プリプレグ，RTM (Resin Transfer Molding), CSMCのままでは，やわらかく，ぐらつきが発生するため，シート(Carbon fiberSheet Molding Compound)の 3 種類の材料・状接着剤に，剛直な径 1 mm のガラスビーズを分散させた工法で使い分けた．プリプレグは，航空宇宙産業やスポーツ(図)．

産業で実績があり信頼性の高い材料で，予め樹脂を複合化し以上のような開発を通して，スーパーカーの中でもねじりたシート状の炭素繊維基材を何枚も重ね合わせるように型表剛性が極めて高く，走行安定性に優れた CFRP ボデーを開発

面の形状に合わせて積層し，フィルムで覆い減圧することにより，型形状になじませオートクレーブ(圧力釜)などで加圧する工法で，ボデーのサイドメンバーやダッシュといったメイン骨格に採用した．RTM は，量産性を考慮し，革新工法として採用した工法で，予め型形状に沿うようにセットした繊維基材に液状の樹脂を浸み込ませて，加熱硬化した．プリプレグに比べ樹脂が複合化されていない繊維基材を用いるた
め柔軟性があり，型の形状に沿いやすいことから，大面積のフロアなどの部品を一体成形できるのが特徴である． C 
SMC も 革 新 工 法 と し て 開 発 し た も の で ， プ リ プ レ グ や
RTM が連続繊維を主体とするのに対し， 1 インチの長さの図3

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
Materia Japan

図4

シート状接着剤(異種材の接合)．

レクサス LFA．

することができた．その技術を受け継ぎ， 2013 年 6 月にマサイクル，信頼性の面でバランスのとれた材料・工法およびーク X の G's 特別仕様車のルーフにクリア塗装 CFRP を搭設計が必要になる．残念ながら，現在これに対応できる技術載した．今後も世の中のニーズと CFRP の特徴をよく理解はないが，これを打破しないと自動車での CFRP のポピュしながら継続，拡大に向け，チャレンジしていく予定である．

ラー化はありえない．

.


自動車と CFRP の今後

今後の CF 生産量

エアバス A380 ，ボーイング 787 などの航空宇宙用途やス

熱可塑 CFRP の期待と課題

樹脂には大別して，熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂がある．
これまでの CFRP の樹脂はほとんどが熱硬化である．原料が粘度の低い液状の状態のものが多く，この状態で炭素繊維ポーツ用途の更なる拡大が見込まれるが，自動車が含まれる1 本 1 本の表面を覆い，炭素繊維間を満たした後，三次元架産業用途での大幅な拡大が予想されている．しかし，歴史は橋反応により加熱硬化される．一方，熱可塑は，成形時の原浅く，自動車を構成する材料としてのポピュラーな位置を獲料が固体のものが多く，金属のように加熱溶融させ炭素繊維得するには，期待と課題を整理しながら，様々な角度からのと複合化し，冷やして固める工法をとる．熱硬化のように反検討が必要になってくる．

応させないため，成形サイクルは短くできる．自動車の量産

図に，縦軸をいろいろな感動すなわち商品の狙いを，横サイクルを考えた場合，熱可塑 CFRP 化による成形サイク軸に生産量をとり，トヨタ自動車の代表的な車両をプロット

ル短縮の期待は大きい．ただし，前述したコスト， LCA ，した．前述した LFA やレクサス系では，走りとかステータリサイクル，信頼性に対応するにはまだまだ課題は多い．そスなどの感動の造りこみと表現が重要．低重心化のみならず，の中でも特に，熱可塑性樹脂の特徴を考えると，溶融樹脂のCFRP ならではの意匠性を活かしながら大量生産車へ展開

粘度が高く，繊維との含浸性に大きな課題がありそうであを進めることが考えられる(図中 A )．一方，エコカーの領る．現在，熱可塑性樹脂の溶融状態を管理し，できるだけ扁域は， CFRP ならではの軽量骨格で性能・燃費向上を押し平した炭素繊維束とし樹脂の流動距離を短くするような含浸進めることが考えられる(図中 B)．

方法が主流になってきているが，熱硬化性樹脂の低粘度液状状態での含浸に比べるとかなり難しいものになっている．そCFRP の課題の他，熱可塑性樹脂をフィルムや粉末状とし，予め繊維間に

図中 A の CFRP な らでは の軽量意 匠性の量 産につ いて配置しておく方法も採られている．ただし，コストや生産性は，最近，HPRTM(高圧―RTM)工法が出現し，ルーフなの面から自動車部品への展開を妨げるものとなっている．

どの大物成形でも 5 分以内の型内占有時間が可能になってLFA の CFRP ボデーは，ほとんどが熱硬化 CFRP である

きている．しかしながら，カーボン繊維と樹脂の線膨張率差が，唯一，熱可塑 CFRP を採用した部品がある．サイドメが極めて大きく，樹脂引けにより繊維パターンが表面に凹凸ンバーに内包される側突衝撃吸収用のコルゲート(波板)であとなって現れる．金属のような単独材には見られないようなる．熱硬化 CFRP と衝撃吸収特性を比較したところ，熱可現象であり，平面化するのにコストがかかってしまうため，

塑 CFRP は極めて高い衝撃吸収能を示すことが分かった．

展開車両を選ばなくてはならず，現技術では全ての車両のニ

熱可塑 CFRP は成形サイクル以外にも衝撃吸収といった面ーズには対応できないという課題がある．型内表面コート等で期待できることを確認した．ただし，コスト，信頼性といの技術開発が待たれる．図に 2013 年 6 月に発売したマーった面で，まだまだ改良の余地があることも分かった．

ク XGs の CFRP ルーフを示した．一方，図 5 の B の CFRP

そうした中，国内でも熱可塑 CFRP の研究は盛んで，東ならではの軽量骨格構造の量産については，型内占有時間の大を中心に実用性の高い熱可塑 CFRP 中間材料(熱可塑シー大幅な短縮といった量産性のみならず，コスト， LCA ，リト)が開発されつつある．また，名大の NCC (National Composite Center)を中心に熱可塑 CFRP の実用的な革新工法の研究(LFTD: Long Fiber Thermoplastic Molding Process

図5



CFRP 開発の方向．

図6

CFRP ルーフ．

小特集Direct 等)も行われ，量産性や大型部品化に向け，産官学連携のもと，着々と準備が整えられている．これらの研究には大型設備等が必要であり，一企業だけでの推進は難しく，官の力が重要になっている．また，先行している航空機産業などの知見や，大学における解析や理論武装が信頼性を得る意
味において極めて重要である．大学内に拠点を置いたのも，そういった理由があったものと考える．


CFRP ならではの加工技術への期待

図7

自動車用 CFRP 材料が進化すればするほど， CFRP なら国内の CFRP 研究開発体制．

ではの設計や加工技術が重要になってくる．前述したが，CFRP と 切 っ て も 切 れ な い の が ， 接 着 剤 や 接 合 技 術 で あり，レクサス LFA では，接着剤を多用している．組み立てライン 5 工程の 4 工程が接着ラインである．

溶着等の技術が展開できることになり，接合の自由度も増すことに接合技術，接着技術への期待は大きいが，以下のいろいろな課題もある．

前述したが，CFRP の挑戦として熱可塑化がある．この場合，なると考えられる．ただし，流動がぶつかるようなポイントでは，熱硬化に対し高粘度であり，絡み合いにくいといった課題が発生す

将来のボデー材料として， CFRP をあげたが，この CFRP もる．また，溶着は，被着体が接することが前提になることが多い．

CF(炭素繊維)同士の接着によって成り立っている材料といえる．そ大型化すると CFRP の異方性も相重なって，容易に反ることが考えのため， CF 表面の状態は極めて重要で，プライマー相当の表面処られる．反りの解析技術やハード面からの対策が必要である．



CFRP のマトリクスは樹脂であり，いろいろな物を混合するの理剤が必要になる．これがサイジング剤と称されるもので，その処



理は繊維メーカーに委ねられているのが一般的である．今後，は得意である．異種材を接合する際の対策など，複合化技術と接着

CFRP が世の中に大量に出回った場合，リサイクルの必要性が出て技術の融合が重要になると考えられる．

くる．この場合， CF と樹脂の分離が求められることになるが，今.の技術ではこのサイジング剤も分離時に消失あるいはダメージを得まとめることになる．リサイクル時に，リサイクルした CF にサイジング剤，およびその処理をどこで行うかが，重要なポイントになると考えられる．

CFRP は将来の自動車用材料として期待されているが，自動車としては，まだまだ揺籃期といえる．また，接合技術もう一つの課題は， CF あるいは CFRP の線膨張率が極めて小や接着剤は，CFRP 部品には欠かせないものであり，CFRPさいことにある．金属などの部品と接着する際に線膨張率差が生の特徴や将来の方向を予測しながらの開発が期待されていじ，高温成形時あるいは使用時に剥がれやすくなる．いわゆる異種る．今後，産官学などによる基盤技術開発が重要になると考材接合の問題である．前述したが，LFA 開発時でも大きな問題になえられる．図に国内の CFRP 研究拠点を示した．前述しった．線膨張差を吸収できるだけの伸びや強度が接着剤に要求された経産省の東大， NCC (名大)のみならず，文科省の地域イることになる．

ノベーション活動により，地域の CFRP 研究も活発化して

CFRP で更に注意しなければならないのは，金属などの異種材きている．2014年 6 月に金沢工業大学内に ICC (Innovativeを接合する際に，水分などの介在下で電位差を生じてしまうことでComposite Center)が開所した．国内の研究拠点，地域間のある．いわゆる電食という現象である．相手材と CFRP を遮断する連携を中心に，海外と協力しながら前述した課題を克服して設計が重要になる．

いけば，近いうちに自動車の主要部位で熱可塑 CFRP 部品

もう一つは主要骨格に展開する場合の信頼性である．耐環境性が出現するものと考える．これまでの熱硬化 CFRP 技術のや疲労限界の有無などを議論する必要が出てくる．前述したが LFA定着，更なる進化に並行して熱可塑 CFRP の研究が進ことでは，機械締結を接着材と併用した．

により，また，これらの接合技術を開発することにより，自

今後は，顕在化しているこれらの課題に対し，一つずつ改善していく必要があるが，これと並行して， CFRP ならで動車構成材料として CFRP の位置づけが確保でき，よりポピュラーな材料になっていくものと考える．

はの接合技術，接着剤の積極的な議論，開発が重要になってくると考えられる．例を以下に記述する．
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1981 年 3 月

CFRP の特徴から今後，部品が大型化(一体成形)することが考えられる．前述したが， CFRP のマトリクス樹脂は接着剤でもあることから，比較的得意な開発になる． CF との接着力を増す方向と考えられる．問題は， CSMC のように流す成形において，流れがぶつかるポイントで繊維が絡み合わずに，強度が出しにくいといった問題がある．これもマトリクス樹脂の接着性を増すことが重要に

影山裕史

東京工業大学有機材料工学科修士課程修了
株 (当時トヨタ自動車工業
4 月 トヨタ自動車株 )入社

2014年 8 月 現職
専門分野有機材料工学◎ものづくり強化の一環として， CFRP 材料の特徴を産学で理解しながらの新材料・工法の研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

なると考えられる．CF 界面強度と樹脂の靱性向上である．

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
Materia Japan