CFRPとは・・・

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・CFRPは「炭素繊維複合材料」と呼ばれる複合材の1種です。

・「複合材」は「強化材」+「母材」から成ります。詳細は下記の図を参照して下さい。

※複合材は強化材や母材の種類によって名称が変わります。

・そして「CFRP」は正確には「炭素繊維」と「熱硬化性樹脂」で成り立っております。

※「熱硬化性樹脂」は主にエポキシやフェノールが一般的です。

  • 強化材
  • 母材(マトリックス)
  • 複合材(コンポジット)

 

 

 

・炭素繊維は主に下記の2種類がございます。

ⒶPAN系炭素繊維…PAN(ポリアクリロニトリル=アクリル樹脂)を原料とする炭素繊維。

Ⓑピッチ系炭素繊維…ピッチ(石油、石炭、コールタールなどの副生成物)を原料とする炭素繊維。

※炭素繊維を発明したのはエジソンです。そしてPAN系・ピッチ系共に日本人が発明しました。

 

 

 

 

・先ほども書きましたが、CFRPは「熱硬化性樹脂」を母材として高強度・高弾性を誇ります。

・これに対し、「熱可塑性樹脂」を母材とした「CFRTP」というものがあります。こちらは一般的な性能ではCFRPに劣りますが、用途によってはCFRPよりも優れている場合があります。

・以下に、「CFRP」と「CFRTP」各面の比較を記載しましたのでご参照下さい。

1) 強度、弾性

エポキシ樹脂を中心とする熱硬化の方が優れている。但し、衝撃吸収力では熱可塑の方が優れている。

2) 成形性

一概には言えませんが、成形時間の短い熱可塑が優れているため、大量生産や射出成型では期待されています。逆に熱硬化は時間をかけて、精度の良いものづくりに向いています。

3) リサイクル性

2) 熱硬化性樹脂の場合は熱分解法で炭素と樹脂を分離します。その際、樹脂は熱源として利用され、消費されます。そして炭素だけが残ります。

 

 

 

 

・CFRPは様々な成形法があります。その中で一般的なものを下記に記載しましたのでご覧下さい。

 

 

 

・CFRPの主な特徴としては「高強度」「高弾性」「軽量」の3点が挙げられます。CFRPは鉄と同レベルの強度を持ちながらアルミと同様の比重で、なおかつ鉄やアルミに比べて遥かに高い弾性率*を誇ります。また、CFRPは鉄やアルミと違い負荷を加えられた物体が元に戻らなくなることはありません。

・CFRPの特性としては以下をご参照下さい。

 

 

 

 

・CFRPをはじめとした複合材料は設計の自由度が高く、金属等とは異なり、組み合わせによって使用用途に合わせた部材を作ることが出来ます。

・以下に組み合わせによる参考例を記載しましたのでご参照下さい。

A. 釣竿、ゴルフシャフト

釣竿やゴルフシャフトは炭素繊維を1方向だけでなく、縦横や斜めなど複数の方向に重ね巻きしていくことにより、あらゆる方向に対して強度を持ったり、ねじれに対して強くなったりします。

B. スポーツ用具

弾性率の高い素材(ゴム等)は振動減衰が低く、弾性率が低い素材(金属等)は振動減衰が高いのが一般的です。ところがCFRPは炭素繊維により弾性率が高く、母材(マトリックス)によって振動減衰が高いという両方の良い性質を保有しています。

C. アンテナ、パネル

積層方向を調整することにより熱膨張率がゼロの部材を作ることが可能です。この部材は温度差の激しい宇宙空間で、温度による寸法変化を起こさないので、人工衛星のアンテナに使われることが多いです。また、組み合わせにより熱伝導率も高く、人工衛星等での排熱パネルとしても使われています。

 

 

 

 

・CFRPには良い面ばかりではなく、問題点もございます。以下にその問題を記載しましたのでご参照下さい。

1) 加工の難しさ

固い繊維状のカーボンと比較的や軟らかく、熱に弱い樹脂の組み合わせたものを同時に加工する為、両方に合う切削工具が無く、ダイヤモンド添付の高級な刃物で加工することになります。そうすると、加工のコストが高いものになります。また、加工熱により樹脂が溶けて、繊維が動き出しケバ立ち、バリが発生することにもなります。弊社では、この加工研究により曲がりなりにも一応の加工自在力を手に入れましたが、未だ研究途上であります。

2) 検査評価の難しさ

金属のように3次元とも均一ではないのでサンプル部分の引張強度、破壊テストでのデーターがそのまま使えないし、非破壊検査も全てをカバーはできません。実物破壊テストもできないので評価が難しいとされています。CFRPは異方性が特長であり、必要な方向に必要な強度を与えるという意味では長所でもありますが、反面欠点でもあるのです。

3) 修復の難しさ

許容応力を超えたものが、どこまでダメージを受けているかが分かりません。また、修復でどこまで強度が回復したかも分からないのです。後から接着でくっつけたとして、外観上は回復したようにみえても、一体成形でつくり上げたものとは違うものとなっている可能性があります。また、最初の設計強度がどれ位であったかも分からないと、更に困難さが増します。

4) コスト高を超える価値提供の難しさ

素材、中間基材のコストが高いので単なるメタルからの置き換えでCFRPを採用しても、高い付加価値は生み出せない。メタルでは、達成できない高い付加価値を目標にしてみて、初めて採用する意味が出てきます。普及のためには素材のコスト低減が求められています。

 

CFRP加工

  • ①積層板加工
  • ②微細加工
  • ③丸棒材加工
  • ④素材調達・内製

製品化事例

  • ①ラジコン
  • ②ドローン
  • ③ロボット
  • その他