炭素繊維強化プラスチック(CFRP)入門

その他の有機系繊維
・ポリアリレート繊維：低吸湿
・PBO繊維(ポリ p-フェニレン-2,6-ベンゾビスオキサゾール繊維)：高強度、高耐熱　
・高強度ポリエチレン繊維：軽量、耐衝撃、耐薬品性　
など

その他無機繊維
・アルミナ繊維：高温での化学安定性、耐酸化性
・ボロン繊維：高圧縮強度、低熱膨張係数
・SiC繊維：耐熱性、耐酸化性、半導体領域の比抵抗
など
(参考文献：　井塚宿夫「炭素繊維　複合化時代への挑戦」　繊維社企画出版　2012)

炭素繊維には、ポリアクリロニトリル（PAN）繊維を燃やして炭素の繊維に変えるPAN系と、炭素に近いコールタールなどから繊維をつくるピッチ系があり、現在はPAN系が主流になっています。

炭素繊維自体は繊維という名が示す通り、1本数ミクロンの細い繊維から形成されます。紡いだり燃やして炭化したりする際にも、強度を出す工夫はされていますが、単体では切れやすいため、その繊維を数千〜数万本束ねた「トウ」と呼ばれる太い糸にする必要があります。その際に使用し、1本1本の炭素繊維をつなぐ役割を果たすのが炭素繊維用集束剤です。

炭素繊維用集束剤には、まず「トウ」をしっかり束ねて、糸切れによる毛羽を抑制する働きが求められます。そのうえで加工する際に必要な柔軟性も持たせなければなりません。三洋化成の『ケミチレン』はこれら相反する特長を併せ持ち、炭素繊維の取り扱い性を改善する能力に優れています。また「トウ」に加工した後、CFRPとして含浸させる樹脂とうまく混ざり合うなど、炭素繊維の強さと変形しにくさをより引き出すように設計されています。

炭素繊維用集束剤(サイジング剤)​紹介ページはこちら

炭素繊維の製造方法については前述しましたが、その後に炭素繊維はCFRPの成形法や末端用途に適した中間材料に加工されます。炭素繊維の中間材料は炭素繊維トウを原料として製造された材料であり、大別すると次の2種類があります。

一つ目は、炭素繊維を織り上げた炭素繊維クロス、炭素繊維をカットした炭素繊維チョップなど、炭素繊維のみから出来ている中間材料です。
二つ目は、炭素繊維にエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグなど、炭素繊維と樹脂を複合させて出来ている中間材料＝炭素繊維複合材料です（下表）。

プルトリュージョン成形とも言われ、連続的に繊維強化プラスチック（FRP）を製造するための成形プロセスです。この方法では、繊維を液状の樹脂に浸し、加熱された金型を通して引き抜くことで、連続した形状の製品を作ります。

プロセス:

1. 繊維の準備: ガラス繊維や炭素繊維などの強化材をスプールから引き出します。
2. 樹脂含浸: 繊維を樹脂バスに通して、樹脂を含浸させます。樹脂は通常、熱硬化性樹脂が使用されます。
3. 成形・硬化: 含浸された繊維を加熱された金型に通し、形状を整えながら硬化させます。
4. 引き抜き: 硬化した製品を連続的に引き抜き、所定の長さに切断します。

特長

・高効率: 連続的な生産が可能で、大量生産に適しています。
・高強度・軽量: 繊維の方向を制御することで、特定の方向に高い強度を持たせることができます。
・コスト効果: 材料の無駄が少なく、コスト効率が良いです。

フィラメントワインディング成形は、連続した繊維を樹脂に浸し、回転するマンドレル（芯型）に巻き付けて成形するプロセスです。この方法は、特にチューブやタンクのような円筒形や球形の構造物を製造するのに適しています。樹脂槽（バス）に炭素繊維を浸しながら巻き付ける方法と、あらかじめトウを樹脂に含浸させたトウプリプレグを巻き付ける方法があります。

プロセス

1. 繊維の準備: ガラス繊維や炭素繊維などの強化材をスプール(強化材である繊維を巻き取って保管し、供給するための装置)から引き出します。
2. 樹脂含浸: 繊維を樹脂バスに通して、樹脂を含浸させます。樹脂は通常、熱硬化性樹脂が使用されます。
3. 巻き付け: 含浸された繊維を回転するマンドレルに特定のパターンで巻き付けます。巻き付けの角度やパターンは、製品の強度特性を決定します。
4. 硬化: 巻き付けた繊維を加熱して樹脂を硬化させます。
5. 脱型: 硬化後、製品をマンドレルから取り外します。

特長

高強度・高剛性: 繊維の巻き付け角度を調整することで、特定の方向に高い強度と剛性を持たせることができます。
軽量化: 繊維強化プラスチックの特性を活かし、軽量で高強度な製品を製造できます。
設計の柔軟性: 巻き付けパターンを変えることで、製品の特性を細かく調整できます。

繊維プリフォーム(成形する最終製品の形状に合わせて予備成形したもの、織物など)を金型にセットし、そこに樹脂を注入して成形する方法です。金型は、通常、上型と下型の2つのパーツから構成されます。これにより、製品の両面を成形することができます。また、樹脂が漏れないように、金型は高い密閉性を持つように設計されています。

プロセス

1. プリフォームの準備: ガラス繊維や炭素繊維などの強化材をあらかじめ形状に合わせて配置し、プリフォームを作成します。
2. 金型へのセット: プリフォームを金型にセットし、金型を閉じます。
3. 樹脂の注入: 金型内に樹脂を注入します。樹脂は通常、低粘度の熱硬化性樹脂が使用されます。
4. 硬化: 樹脂がプリフォーム全体に行き渡った後、加熱して硬化させます。
5. 脱型: 硬化した製品を金型から取り外します。

特長

・高品質な表面仕上げ: 金型を使用するため、製品の表面が滑らかで高品質に仕上がります。
・複雑な形状の成形: 複雑な形状の製品を一体成形することが可能です。
・高強度・軽量: 繊維の配置を最適化することで、軽量で高強度な製品を製造できます。

CFRPのプレス成形は、炭素繊維と樹脂を組み合わせたプリプレグやシートモールディングコンパウンド(SMC)を金型にセットし、加熱・加圧して成形するプロセスです。高強度・軽量な部品を効率的に製造するために用いられます。プリプレグとは、繊維強化材（通常は炭素繊維）に樹脂をあらかじめ含浸させたシート状の材料です。成形前に樹脂が含浸されているため、成形工程を効率化できます。

プロセス

1. プリプレグの準備: 炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを用意します。プリプレグはシート状で供給されることが多いです。
2. 金型へのセット: プリプレグを金型にセットします。必要に応じて複数の層を重ねて配置します。
3. 加熱・加圧: 金型を閉じ、加熱しながら圧力をかけて成形します。加熱により樹脂が流動し、繊維間に浸透して硬化します。
4. 冷却・脱型: 成形が完了したら冷却し、製品を金型から取り外します。

特長

・高強度・軽量: 炭素繊維の特性により、非常に高い強度と軽量性を持つ部品を製造できます。
・高い設計自由度: 繊維の方向や層数を調整することで、製品の特性を細かく制御できます。
・短いサイクルタイム: プレス成形は比較的短時間で成形が完了するため、大量生産に適しています。

オートクレーブ成形は、炭素繊維と樹脂を組み合わせたプリプレグを用い、加圧・加熱可能な密閉容器（オートクレーブ）内で成形するプロセスです。高品質なCFRP部品を製造するために用いられます。

プロセス

プリプレグの準備: 炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを用意します。
レイアップ: プリプレグを金型上に積層します。繊維の方向や層数を設計に基づいて配置します。
真空バッグの作成: 積層したプリプレグを真空バッグ(バギングフィルム)で覆い、空気を抜いて真空状態にします。これにより、樹脂の流動性が向上し、気泡の混入を防ぎます。
オートクレーブ成形: 真空バッグをオートクレーブに入れ、加熱・加圧します。通常、温度は120〜180℃、圧力は5〜7バール程度で行われます。
冷却・脱型: 成形が完了したら冷却し、製品を金型から取り外します。

特長

高品質: 高圧・高温で成形するため、気泡や欠陥が少なく、非常に高品質な製品が得られます。
高強度・軽量: 繊維の配置を最適化することで、非常に高い強度と軽量性を実現できます。
設計自由度: 繊維の方向や層数を調整することで、製品の特性を細かく制御できます。

オーブン成形は、CFRPの製造方法の一つで、プリプレグを用いてオーブン内で加熱・硬化させるプロセスです。オートクレーブ成形に比べて設備コストが低く、比較的簡便な方法です。

プロセス

プリプレグの準備:
炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを用意します。プリプレグは、繊維の方向や層数を設計に基づいて選定します。

レイアップ:
プリプレグを金型上に積層します。繊維の方向や層数を設計に基づいて配置し、製品の特性を最適化します。

真空バッグの作成:
積層したプリプレグを真空バッグで覆い、空気を抜いて真空状態にします。これにより、樹脂の流動性が向上し、気泡の混入を防ぎます。

オーブンでの加熱・硬化:
真空バッグをオーブンに入れ、設定温度で加熱します。通常、温度は80〜150℃程度で、時間は数時間から十数時間かけて硬化させます。

冷却・脱型:
成形が完了したら冷却し、製品を金型から取り外します。

特長

コスト効率:オートクレーブを使用しないため、設備コストが低く、初期投資が少なくて済みます。
柔軟性:小規模生産や試作に適しており、製品の設計変更にも柔軟に対応できます。

シートラップ成形は、炭素繊維シートを用いて、特定の形状に巻き付けることで成形するプロセスです。この方法は、特に円筒形やパイプ状の部品の製造に適しています。

シートラップ成形のプロセス

1. 材料の準備:炭素繊維シート（プリプレグまたはドライファイバー）を用意します。プリプレグは樹脂が含浸されており、ドライファイバーの場合は後で樹脂を含浸させます。

2. マンドレルの準備:成形する形状に合わせたマンドレル（芯材）を用意します。マンドレルは通常、金属やプラスチックで作られ、成形後に取り外されます。

3. シートの巻き付け:炭素繊維シートをマンドレルに巻き付けます。巻き付ける際には、繊維の方向や張力を調整し、設計に基づいた強度特性を実現します。

4. 樹脂の含浸（ドライファイバーの場合）:ドライファイバーを使用する場合は、巻き付けた後に樹脂を含浸させます。真空バッグやインフュージョン法を用いて樹脂を均一に行き渡らせます。

5. 硬化:巻き付けたシートをオーブンやオートクレーブで加熱し、樹脂を硬化させます。温度と時間は使用する樹脂の種類に応じて設定します。

6. マンドレルの取り外し:硬化が完了したら、マンドレルを取り外して成形品を取り出します。

特長

高強度・軽量:繊維の方向を最適化することで、非常に高い強度と軽量性を実現できます。
設計自由度:繊維の巻き方を調整することで、製品の特性を細かく制御できます。
適用範囲:円筒形やパイプ状の部品に特に適しており、航空機の部品やスポーツ用品などに広く使用されます。

炭素繊維で強化されたナイロンやポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を炭素繊維で補強した原材料（ペレット）を加熱溶融し、射出成形機で成形するプロセスです。熱可塑性樹脂は加熱すると柔らかくなり、冷却すると固まる特性を持っています。

射出成形のプロセス

材料の準備:CFRTPペレット（炭素繊維が混合された熱可塑性樹脂の粒）を用意します。ペレットは射出成形機に投入されます。
加熱・溶融:射出成形機のスクリュー内でペレットを加熱し、溶融状態にします。温度は使用する樹脂の種類に応じて設定されます。
射出:溶融した材料を金型に射出します。金型は製品の形状に合わせて設計されており、射出された材料が金型内で冷却・固化します。
冷却・固化:金型内で材料が冷却され、固化します。冷却時間は製品の厚さや形状に応じて調整されます。
脱型:固化した製品を金型から取り出します。製品はそのまま使用するか、必要に応じて後加工が行われます。

特長

高生産性:射出成形は短時間で大量生産が可能であり、CFRTPの特性を活かした製品を効率的に製造できます。
設計自由度:複雑な形状の製品を一体成形できるため、設計の自由度が高いです。
リサイクル性:熱可塑性樹脂を使用しているため、リサイクルが容易で、環境負荷が低いです。

炭素繊維の活用は、世界的に見て年間5〜10％の比率で伸びており、今後も需要の拡大が続くと予測されています。既存の産業分野での拡大はもちろん、燃料電池車用の水素タンクなど、炭素繊維だからこそ実現できる領域での需要も確実に広がっています。

特に風力発電に使用される風車のブレードでは、ガラス繊維では重さやたわみなどの問題で50メートル程度までしか対応できなかったところ、炭素繊維では100メートル級のブレードが可能となり、発電効率を大幅に向上させることが可能となりました。風力発電の発電量は世界規模で見て、今後10年間で年率約8％伸びると予想されており、日本でも洋上風力発電の計画などが持ち上がるなど拡大傾向にあります。今後も、炭素繊維が大きな役割を果たしていくことは間違いありません。

また新たなニーズとして、航空機やドローンにも広く活用されていることから、将来的には空飛ぶクルマなど、未来の技術への活用も期待されています。 

軽量化による消費エネルギーの低減はもちろん、再生可能エネルギーの利用でも需要が伸びる炭素繊維は、エネルギーの活用や産業の発展はもちろん、ひいては気候変動への対策としても大きな役割を果たしており、まさにSDGsに大きく貢献している素材といえます。