JEMEA Journal Vol.6 (2022.12)

技術論文
マイクロ波加熱による炭素繊維の製造と複合材料化の検討
Examination of Carbon Fiber Production by Microwave Heatingand Composite Material
杉山順一 1,3,*、鈴木慶宜 2,4、土岐 輝 2,4、圖子博昭 2,4、
田中玲人 3、八木皓平 3、峯岸礼子 3、森住真紀 3、羽鳥浩章 1,3
Jun-ichi Sugiyama1,3, Yoshinori Suzuki2,4, Akira Toki2,4, Hiroaki Zushi2,4,Reeto Tanaka3, Kouhei Yagi3, Reiko Minegishi3, Maki Morizumi3, Hiroaki Hatori1,3
1.（国研）産業技術総合研究所、2.帝人（株）技術開発部、
3.新構造材料技術研究組合つくば小野川分室、4.新構造材料技術研究組合三島分室
1.〒305-8565 茨城県つくば市東 1-1-1 中央第 5、2.〒411-8720 静岡県駿東郡長泉町上土狩 234、3.〒305-8569 茨城県つくば市小野川 16-1、4. 〒411-8720 静岡県駿東郡長泉町上土狩 234

1.

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) Tsukuba Central 5, 1-1-1 Higashi, Tsukuba,Ibaraki 305-8565, Japan
2.

Technical Development Department, Teijin Limited, 234, Kamitogari, Nagaizumi-cho, Sunto-gun, Shizuoka
411-8720, Japan

3.

Tsukuba-Onogawa Branch, Innovative Structural Materials Association (ISMA), in AIST Tsukuba west, 16-1
Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305-8569, Japan

4.

Mishima Branch, ISMA, in Teijin Mishima Factroy, 234, Kamitogari, Nagaizumi-cho, Sunto-gun, Shizuoka
411-8720, Japancorresponding author*, e-mail address: sugiyama-j@aist.go.jp,
キーワード: 炭素繊維、円筒導波管、導電性材料、高周波シフト、複合材料

Keywords: carbon fiber, cylindrical waveguide, conductive material, high-frequency shift, composite materials
Abstract
The application of carbon composite materials in new fields such as automotive materials requires an innovative carbon fiber
manufacturing process that halves manufacturing energy and CO2 emissions while significantly increasing productivity. This
study investigated the continuous heating of precursor fibers using microwaves as an innovative carbon fiber production method.
As a result, carbon fibers with a high-performance index were obtained. In addition, the physical properties of composite
materials using the carbon fibers obtained in this study showed good indices.
1. 緒言
自動車等の新たな分野へ活用を広げるため、炭素繊維の製造エネルギー・CO2 排出量の半減及び生産性の28

JEMEA Journal Vol.6 (2022.12)大幅向上を両立させた革新的な炭素繊維製造プロセス

1π f µσδ=が求められている。基盤技術の開発を行い、産業技術へとつなげていくことを目的に、高多機能炭素繊維を(4)創出する検討を行った。ポリアクリロニトリル(PAN)

市販炭素繊維（単糸径 7 μm、引張強度 4.0 GPa、引を前駆体とする炭素繊維は一般に、PAN 繊維を空気中張弾性率 240 GPa）1 本に対する TM020@2.45 GHz 円筒で穏やかに加熱して耐炎化した後に不活性雰囲気下の空洞共振器の測定結果を Fig.1 に示す。

高温で炭素化して得る。本研究では耐炎化糸を原料と[dB]
S21[dB]-20-20して、マイクロ波加熱による連続的な炭素繊維の合成を行うとともに、得られた繊維を用いて複合材料の性-30

能評価を行ったところ、高い性能指標を得たので報告-40-40する。

-50

Ch1_160802_CF#01-1

blank

1001

CF@2.45GHz：
ψr*=-9,000-j28,500

2. 炭素繊維のマイクロ波応答
耐炎化糸を加熱して得る炭素繊維について、その電-80-80

1007

10021004
10061008CF2.434
2.435

磁波応答の性質をあらかじめ知っておくことは装置設

1005

1009-60-60-7010032.4392.4402.4442.44510102.4492.4502.454[GHz]
f [GHz]Fig.1. S21 parameter from TM020 resonator.

計の上で重要である。そこで炭素繊維の電界に対する摂動を評価した[1, 2]。円筒空洞共振器法は円筒中心－円筒側面間で生じる TM020 定在波に対し、円筒中心に空洞内の空洞容積／試料量の比を共振器断面積 πrc2／繊維状物質を装荷することで繊維に与えられた電界の単糸断面積 Ss の比に同じとすると、装荷試料の断面積摂動を評価できる。一般に装荷によって電磁界分布がは共振器の 95 万分の 1 と算定される。また材料の導電大きく変化しない誘電体に対して用いることが前提で率が後述のように高いとしても、式 4 においてある。炭素繊維自体は導電性を持つため大きく電磁界σ=10,000～50,000 Sm-1 の範囲から得られる浸透深さ分布を変化させる可能性があるが、炭素繊維自体が非δ=100~30 μm に比べてこの単糸径は非常に小さく、電常に小さいことで分布形状の変化が小さくなることを界は内部まで浸透しているとみなせる。測定の結果、想定した。式 1,2 を用いて得られる複素比誘電率Q 値の大きな低下と共に、非装荷時共振周波数 fc に対εr*=εr'-jεr"は導電性材料に対し、複素導電率 σ*が加算さし装荷時共振周波数 fs が高周波数側に現れる現象が確れて式 3 に示す複素比電界応答率 ψr*の応答となる。こ認された。共振周波数の高周波シフトは fc-fs が負とな

こで αn は円筒空洞共振器における定数であり TM0n0 定るため、式 1 に基づく値は負となる。複数回測定され在波の n=1 においては 1.855、n=2 においては 4.318、

た fc, fs, Qc, Qs から平均して ψr*=-9,000-j28,500 と評価しまた Qs、Qc はそれぞれ装荷時、非装荷時の測定 Q 値でた。
摂動法による複素比電界応答率 ψr*によって装荷時ある。

π rc2  f c − fs ε= +1α n Ss  f c 'r

π rc2  1 1 =ε r" − 2α n Ss  Qs Qc σ*
ψ= ε +
ωε 0*r*rに高周波シフトが起こった現象から、比誘電率 εr'が負(1)の値を示すように捉えられるが、この解釈は正しくない。比誘電率とは、真空を伝搬する電磁波の速度c=(ε0μ0)-0.5 に対し、物質内を伝搬する電磁波の速度(2)v=(εμ)-0.5 とした時の比に基づいて表される値である。物質内を伝搬する電磁波の速度は決して光速 c を超えないため、εr'は理論上 1 未満にはならない。よって Fig.1(3)より得られた ψr*=-9,000-j28,500 の実部が負を示した現象には何らかの理由が必要となる。この解釈について

29

JEMEA Journal Vol.6 (2022.12)

負の値を示すことで共振周波数の高シフト化、すなわは三つの理由が考えられる。
第一の理由は、比透磁率 μr*を 1-j0 と仮定したことに

ち式 1 によって εr'が負となりえる。これは複素屈折率よる前提の誤りである。誘電体は非磁性体であり確か

n*=n'-jn"において n'<n"の際に実部が負として現れる。に磁性応答がないが、導電体は通常反磁性を持っていすなわち、屈折率 n'に対し吸収率 n"が大きい場合に生る。よって電磁波の伝搬速度を v の実部とするなら、じる。

μr*=1-j0 とは限らないため、v=(εμ)-0.5 から求めた εr'の値

centercircumferenceは真の値から遠ざかる可能性がある。
D第二の理由は、電界摂動時にて試料内の電流発生に①起因した磁界排斥である。円筒空洞共振器の中心からB側面までの断面と電束密度 D および磁束密度 B の最大r

振幅を Fig.2 に示す。①は無負荷、②は誘電体の装荷を示す。なお Fig.2 は説明のため TM010 モードを用い、試料および関数の変化を誇張して記述している。空洞共Load area②

振器内の D は共振器上底および下底に存在する電荷密度分布に、B は D の微分に由来する。誘電体装荷ではr

Decrease of electromagnetic resonance radius

誘電体内の波長短縮により D を示す第 1 種 0 次ベッセル関数の根が内側に移動するため、共振器半径が rc のLoad area

まま共振条件を満たすには、試料装荷時の共振周波数

Rejectionarea③fs は無負荷時の共振周波数 fc より低周波数側に現れる。
一方、導電体の装荷では、印加された D に基づき電流rが発生し、装荷試料の周囲に磁界が発生する③のモデ

Increase of electromagnetic resonance radius

ルが考えられる。電流で新たに発生した B の向きはす

Fig.2. Load and Bessel function in the resonator. Top:

でに場にある B の向きと同じである。装荷試料から同

unloaded, middle: loaded with a dielectric material, bottom:

向きの B の発生は、装荷物質外部に向けて B を排斥す

loaded with a conductive material.

るため、B を示す第 1 種 1 次ベッセル関数が外側に移(TM010 mode: exaggerated form)動する。これに伴い D の根は外側すなわち円筒側面側に移動するため、rc のまま共振条件を満たすには fs を伝搬の n'に対し吸収の n"が大きいのは、その物質の上げなければならない。したがって装荷における共振エネルギー損失量が大きいとも考えられる。しかし摂周波数が高周波数側に現れる現象は、電流発生が無視動法の場合、測定しているのは電界エネルギーのみでできない場合に生じると考えられる。本現象の解釈にあることを考慮しなければならない。導電性試料の場

ついては境界条件を厳密に定める電磁界解析により詳

合、電界印加時にジュール熱損失による純粋な損失が細な解が得られると考えられる。

あるが、電流発生による磁界発生も電界エネルギーか

第三の理由として、共振器内で計測している速度がら磁界エネルギーへの変換であるため、損失に換算さ位相速度であることが挙げられる。導波管内を伝搬すれる。第二の理由にて説明した磁界発生による排斥はる電磁波の位相速度は光速より大きいが、これは管内この事象とも合致する。またその場合、誘導電流によを複数回反射する波動が干渉して同位相点間の距離をる磁界摂動も同時に起きているとも考えられるため、大きくしたものであって、エネルギーが c 以上の速度

先述の μr*を 1-j0 と仮定した前提の誤りとも合致する。

で伝搬したものではない。摂動法は無負荷状態と装荷複素屈折率 n'と n"の大小の関係が共振周波数の高シ状態の差を測定するため、いずれの測定でも位相速度フトまたは低シフトに影響しているのであって、帯電を測定していることになるが、屈折率を二乗した n2 が等の一時的な試料状態に依存するものではないことは

30

JEMEA Journal Vol.6 (2022.12)

Fig.1 の測定条件において他の周波数帯を同時に調べた舞う。この段階ではマイクロ波で直接加熱する場合、結果からも示される。2.45 GHz にて TM020 モードが現誘電加熱が有効となる。酸化ポリアクリロニトリル骨れる円筒空洞共振器は、1.07 GHz にて TM010 モードの格は残存する窒素-炭素結合により分極を示すが、高分共振状態をとることができる。Fig. 1 で 2.45 GHz 帯に子鎖内に取り込まれた構造であって 2.45 GHz 帯の外部て ψr*=-9,000-j28,500 と評価された試料は、同時に測定電界の印加に対しては応答性が低い。したがって電界された 1.07 GHz 帯では装荷によって fs が低シフトし、の集中印加が必要となる。ところが多重結合の付加反ψr*=+38,000-j610,000 を示した(Fig.3)。

応など、炭素化反応が進行し始めると、これは発熱反Ch2_160802_CF#01-1[dB]

S21[dB]応であるとともに、集中した電界エネルギーをより多1001-30く吸収するホットスポットとなるため、熱暴走が誘発

1003-40-40

CF@1.07GHz：
1005
blank ψr*=+38,000-j610,000
1007-501009-60-601002

されやすくなる。加えて、反応生成物である炭素化繊
維は黒鉛構造へと変化した導電体であり、前項で示したように電界損失が非常に大きくなる。大きな電磁気

1004-70

学的物性の変化が生じるとモードが保たれずに変化す

1006-80-801008CF-901.055
1.055

1.060
1.060

1.065
1.065

る。このようなケースでは、例えばマルチモード型オ1010
1.070
1.070

ーブンを用いた加熱では導電性部分への加熱集中によ1.075[GHz]
[GHz]
1.075

る加熱斑が発生する、あるいは単純な共振器を用いた

Fig.3. S21 parameter from TM010 resonator

加熱では共振周波数や整合条件の大きな変動が起こる、などの運転の不安定化が生じる。加熱の不安定性は搬

Fig.1 及び Fig.3 で得られた ψr*を式 3 によって導電率 σ*

送方向における加熱ムラ、あるいは搬送繊維の毛羽立と評価した場合、|σ'|および σ"は数千～数万 Sm-1 の値

ちや糸切れによるローラー絡まり、または切断などをとなる。金属の導電率は一般に実部虚部の表記的区別誘発し、品質の低下、および作業工程の低下を誘発すなく、百万 Sm のオーダーで示され、例えば焼鈍標準るため、これを回避する必要がある。

-1以上より、軟銅の体積抵抗率の逆数は58 MSm-1 である。

これに対し我々は、加熱炉として TM01 型円筒導波管

炭素繊維材料は導電性ではあるが、金属の千分の 1 程を用いることで解決を図った[3, 4, 5]。誘電体繊維が装度の導電率であることが示された。

荷された場合、TM01 型導波管内では繊維上に、繊維と平行方向に電界（緑太矢印）が印加され、繊維の構成

3. 炭素繊維製造におけるマイクロ波加熱の要点分子は反電界作るように構造変化する (Fig. 4)。この時目的物である炭素繊維の電磁波応答挙動を得たことの振動位相ずれにより誘電加熱が起こる。繊維が加熱で加熱炉の設計、及び運転時の動作予測が可能となっされて導電性が生じると、炉内の電磁界分布は TEM モた。そこで加熱炉のため、炭素化の検討を行った。原ードに変換され、繊維上に電流（水色太矢印）が生じ料に用いた耐炎化糸は主として 24,000 本のフィラメンて導電加熱が起こる(Fig. 5)。モード変換位置は繊維のトからなるレギュラートウ前駆体(24K)を用いた。耐炎搬送条件によって任意の場所となるが、誘電体部の化糸は炭素含有量が低い黒色の繊維であり、ポリアクTM01 モードと導電体部の TEM モードは電界および磁リロニトリルが部分的に酸化された骨格を持つ。一部界の対称性が円周方向、径方向で共に類似しているたのニトリル三重結合は耐炎化工程で架橋反応が進み、め、変換が起きても連続性が損なわれない。したがっポリマー鎖ははしご型構造をとる。そのため、通常のて、誘電体から導電体への転移点が搬送によって移動ビニルモノマー系の付加型高分子とは異なり、加熱にしてもモード形状の大きな変化が生じないため、整合よるアクリロニトリルへの解重合は抑制され、炭素化が保たれる。これは自動整合器を使用する場合、制御が進行する。のハンチングを抑制する手段として有効である。

耐炎化糸は導電性や磁性がなく、誘電体として振る

31

JEMEA Journal Vol.6 (2022.12)+-筒導波管終端の短絡構造、あるいはその後のスリーブ+内で繊維が十分な吸収を示す場合は、炉から導電性繊Strand

維を通じた電磁波の漏洩の考慮は不要となる。
シミュレーション結果を基にして TM01 型照射炉を作成した。検討の結果、照射運転は安定な定常状態に

E-field ++on strand: ForwardReverse

収束することが示され、糸切れなどのプロセス停止や、糸搬送方向の加熱斑を無くすことができた。連続加熱

Fig.4. TM01 mode for the dielectric strand.

+-によりレギュラートウ前駆体(24,000 本のフィラメントの束：24K)からは引張強度 3.8 GPa、引張弾性率 223 GPa+の炭素繊維、またラージトウ前駆体(48,000 本のフィラ-+-Strand

メントの束：48K)からは引張強度 3.1 GPa、引張弾性率220 GPa の炭素繊維を得た。

Current ++on strand: ReverseForward4.複合材料の物性
マトリックスにポリアミド-6（PA6）を用い、得られFig.5. TEM mode for the conductive strand.

た 24K の連続繊維を複合材料とした。一方向プリプレ
グによるプレス成形品、及びチョップドファイバーに

TM01 モードへの電力供給は TE10 モード矩形導波管よる射出成形品を製作し、市販の炭素繊維から得た同を接続した矩形－円筒変換導波管により行った。加熱条件の成形品と比較評価を行った。成型品のイメージ

炉のモデル構造のシミュレーションを Fig.6 に示す。
Fig.

を Fig.7 に示す。

6 下は Fig. 6 上の位相 90 度後であり、TM01 モードからTEM モードへの連続的な変換が示されている。

Fig.7. Composite materials. left: press-formed products,
TM01 moderight: injection-molded products.

TEM mode

炭素繊維自体の物性（引張強度、引張弾性率）には市販の炭素繊維と差異があったため、複合材料物性に対する炭素繊維物性の利用率を基準に評価した結果、市販品とほぼ同等であることが分かった。Fig.8 にプレTM01 mode

ス成形品の結果を一例として示すが、1)引張強度、2)TEM mode

引張弾性率、4)圧縮弾性率、6)曲げ弾性率でやや劣るものの、3)圧縮強度、5)曲げ強度はいずれも遜色がなかっFig.6. Simulation of model structure of the heating furnace.

た(Fig.8) [6, 7, 8]。

Upper: 105 degrees in phase, lower: 195 degrees in phase.
TEM モードは遮断周波数がないため、導波管径を小さくしても漏洩を防ぐことはできない。しかしながら得られた炭素繊維自体が吸収体となる。したがって円32

JEMEA Journal Vol.6 (2022.12)
1.8[4] ISMA Report 14, pp.1-4, 2019.

Com.
MW1.61.4[5] 杉山順一, 鈴木慶宜, 土岐輝, 圖子博昭, 田中玲人,

1.2

八木晧平, 峯岸礼子, 羽鳥浩章, 第13 回日本電磁波

1.00.8エネルギー応用学会シンポジウム講演要旨集,

0.6

1B01, pp40-41, 2019.

0.4[6] 羽鳥浩章, 革新的新構造材料等研究開発 2020 年度

0.2
0.0

1234

5

成果報告会ポスター集, pp.44-45, 2021.

6[7] 鈴木慶宜, 土岐輝, 杉山順一, 羽鳥浩章, 強化プラ

Fig.8. Ratio of physical properties of the press-molded

スチックス, 67(11), pp.474-477, 2021.

products considering volume fraction of fiber. 1: TensileStrength, 2: Tensile Modulus, 3: Compressive Strength, 4:[8] 杉山順一, 鈴木慶宜, 土岐輝, 圖子博昭, 田中玲人,

Compressive Modulus, 5: Flexural Strength, 6: Flexural八木晧平, 峯岸礼子, 羽鳥浩章, 第15 回日本電磁波

Modulus; Commercial carbon fiber = 1.

エネルギー応用学会シンポジウム講演要旨集,
1A08, pp.52-53, 2021.

5. 結論
前駆体繊維から連続搬送で炭素繊維を製造すること

Manuscript received: Sep. 27, 2022を目的として、炭素繊維単糸の摂動法評価、電磁界シ

Revised:ミュレーション、照射炉設計及び製作、炭素繊維製造

Accepted: Nov. 12, 2022

運転、並びに複合体制作と物性評価を行った。炭素繊維のマイクロ波に対する応答では導電性材料に起因するとみられる摂動時の高周波数シフトが見られた。
また炭素化に基づく、誘電体から導電体への急激な物性変化でも電磁界モードが連続となる TM01 型導波管を用い、24K レギュラートウ、48K ラージトウの炭素繊維を得た。またこれを用いた複合材料化の物性評
価の結果、繊維の物性が向上すれば良好な性能が発現することが期待できる結果となった。
6. 謝辞
本研究は NEDO 委託事業「革新的新構造材料等研究開発／革新炭素繊維基盤技術開発」の成果であり、謝意を示す。
引用文献[1] 杉山順一, 森住真紀, 圖子博昭, 第 10 回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム講演要旨集,
1B01, pp.52-53, 2016.
[2] 杉山順一, 森住真紀, 圖子博昭, 信学技報,
MW2016-82, pp.47-52, 2016.
[3] 羽鳥浩章, 革新的新構造材料等研究開発平成 30 年度成果報告会ポスター集, pp.40-41, 2019.
33

Nov. 5, 2022