炭素繊維の特性について
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(2) 98. 炭素繊維の特性 について. 230 GPa,強 度 2.8 GPa)の 製造法 を確立 し, 1971年 に lt/mの 生産を世 界 では じめて開始 した。 また同社 は 炭化温度を 2,000° C以 上 に上 げた高弾 性率炭素繊維 (弾 性率 400 GPa, 強度. 2。. O GPa)の 生産 に も成功 した。 東. レ抑 の外 にも 日本 カーボ ン柳 ,東 邦 ベ ス ロ ン柳 ,住 友 化学柳 ,三 菱 レイ ヨン 佛な ども開発を行 な い一 部生 産 して い る。外国 では UCC社 の外 に Hercules 社が生 産 して い る。 東 レ柳 はそ の 後 1973年 には 5t/m, 1982年 には. UCC社 の輸 出 して いたが ,最 近炭素繊維をつ くる技. 大 し,製 品 の約 50%は 術を. 100t/mと 生産規模 を拡. UCC社 に輸 出 した。. 現在 では炭素繊維 を図 1に 示す よ うな 2種 類 あ るいは 3種 類 に区別す るの が ,一 般 的な慣行 にな って い る。 高弾性率品. (HM),高 強度品 (HT),低 弾性率品 (LM)の. よ って は前 2者 を合 わせて高性能 品. (HP),. 低弾性率 品を 汎用品. ■日＼Ｆ︶燃韻怒 悪 ︵. ヽ. P. HT. H MI ﹁ ︱ 剤 コ . Ｐ ｒ Ｍ 一 Ｇ ｏ ﹂. 圧. 100. ー. 10. 20 弾性率. 図. 1. 30. (×. 3種 ,場 合 に. 40. 103k9/mポ. 市販炭素繊維 の種類 と機械的特性. ). (GP)と.
(3) 渡. 辺. 正. 元. して 2種 に区別す る。 この分類 に従 うと,最 初 の. UCC社 の ソーネル は GP品 で あ り,大 工 試 の も. の は ソー ネル が レー ヨンを原料 と した のに対 し,ポ リア ク リロニ トリル を原 料 と したやは り GP品 で あ った 。 その後約 10年 近 く各所 で 研究開発が行 なわ れ ,HP品 につ いて は. PAN系 が ,GP品 につ いては ピ ッチ系がそれぞれ主. 流 と して定 着 して きた。 高強度炭素繊維 は ,エ ポキ シ樹脂 で 固め て 複合材料 とす ると,金 属材料 で は達成で きな い剛性 の高 い材料 を造 る こ とが 出来 る。 当初 は ゴル フの シ ャフ トや 釣 り等が用途 の大半 で あ ったが ,そ れ らの市場開発 によ り安定 した物性 を もつ 炭素繊維 の供給が可能 とな ったため ,1980年 代 に入 って炭素繊維使 い の構造材料 の市場 開発が ス ポー ツ用途以外 で 本格化 し始 めて い る。 2。. 製造 技 術 の現 状 と問題 点. (1)レ ー ヨンを原料 とす る方法 レー ヨンを原料 とす る技術 は ,UCC社 で早 くか ら開発 され ,現 在 で も. 100t/y程 度が生産 され , 主 と して低弾性率 ク ロス と して使用 されて い る。 しか しなが ら炭化収率が ,約 25%と 低 い こ とと得 られ る炭素繊維 の特性が低 い こ とか ら, 将来 は. PAN系. の原料 に 順次 お きかえ られ るもの と考え られ. る。. (2)ピ ッチを原料 とす る方法 石油 ピ ッチを原料 とす る製法 には ,低 弾性率炭素繊維 と高弾性炭素繊維 の. 2種 の方法が あ る。前者が等質 ピ ッチを紡 糸す るのに対 し,後 者 は液 晶を含 んだ非等質 ピ ッチを紡 糸 して造 る3)。 石油精製 の残澄 (ピ ッチ)か ら液 晶が生成す る化学反応を図 2に 示す。市 販 の石 油 ピ ッチは分子量約 500の 等質 (isotropic)ピ ッチ (図 2の るが ,そ れ を. 350°. C以 上 の温度 で 加熱す ると,. 子量約 1,000以 上 の縮合苦香環 (図 2の. 1)で あ. 脱水縮合反応がお こ り,分. 2)が 生成す る。 それ らの高分子 量. 分子 の数が増 え ると,そ の表面張力 によ って ,等 質 ピ ッチか ら分離 し小 さな.
(4) 炭素繊維 の特性 について. 図2. ピッチから黒鉛結晶の生成. 雫 となる。 この液 晶 の 量が約 40%を 超え る と,相 変換が起 こ り,液 晶部分が 連続相 となる。 この状態 で 剪断力 をか けなが ら紡 糸す る と,剪 断力 に平行 な 繊維軸 に沿 った配 向が発生 し,非 等質 な ピ ッチ繊維 とな る。 この繊維 は熱可 塑性 な ので ,酸 化 によ る架橋 をお こな って不融化 し,続 いて 炭化す ると黒鉛 結 晶 (図 2の. 3)が 繊維軸 の方 向 に配列 した高弾性率炭素繊維 となる。.
(5) 渡. 辺. 正. 元. 本技術 の 問題点 は ,石 油精製 の 副生成物 を用 い るので ,ど の石 油精製 プ ロ セス の石油 ピ ッチを選ぶか とい うこ とであ る。本技術で 弾性率 に関 して は十 分高 い ものが得 られ て い るが , 問題点 は. PAN系. に較 べ , 強度が低 い こ と. で ,今 後 の課題 は強度 を如何 に 向上 させ るか とい う点 に あ る。. 13)PANを 原料 とす る方 法 PANか らの初期 のプ ロセスで は,焼 成 に数十時間 を要 して いたが ,. 現在. 用 い られ てい る方法 で は ,十 数分乃至数十分 に まで 短縮 され てい る。工程 を 大別す る と原 糸製造 工 程 ,安 定化 工 程 (通 常酸化 によ る脱水素お よび架橋反 応 ),炭 化工 程 (不 活性 ガス 中 で 千数百度 , 高弾性率 グ レー ドを 造 る時 は二 千数百度 に加熱 ), 表面処理 工 程 (エ ポキ シ樹脂等 との接着性 を向上 させ る ため ,炭 素繊維 の表面 に水 酸基や カル ボキ シル 基 な どの 官能基 を 生 成 さ せ る),サ イ ジ ングエ程 お よび巻取 り工 程等が あ る。. PANか. らの黒鉛生成 を 図 3に 示す。 PANの ポ リマ ー 1は 安定化 工 程 で. 縮合 ピ リミジ ン環 2を 主成 分 とす る架橋構造 ポ リマ ー とな り,次 の炭化 工 程 で シア ン化水素 や窒 素 な どのガ ス や ター ル 状 の高分子分解物 を発 生 し な が ら,縮 合 ベ ンゼ ン環構造が成長 し,そ れが重 な りあ って黒鉛様構造 に発展す る。. PAN炭 化 プ ロセ スの概要を表 に示す と表 1の よ うにな る。 表. LI詮 1. 度Cの. 300 -. 400. 400 -. 700. 700 - 1300. l PAN炭. 化 プ ロセ スの概要. 直線状ポ リマーの切断反応および架橋反応 の開始 毅ガ堪翼. H3,CH4,H2お. よび高分子分解物 の発生,縮 合環 の環. HCN,N2の 発生,黒 鉛様構造 の発展. 安定化 工 程 は ,酸 化や ニ トロ ン化 な どの反応 によ って進行す るが ,そ の 際 の炭素 ,窒 素分子 な どの結合や ,脱 水素反応 な どによる反 応熱 は. PAN lkg. 当 り 900 kcal近 くまで 達 し, この反応熱 を制 御す るのが ,製 造技術 の重要 なポイ ン トの一つで あ る。炭化 工 程 で40%以 上 の 分解物が生成 し,こ れ は湿.
(6) 炭素繊維 の特性 について. →. η Υ 「. N. 図3. PANか ら黒鉛結晶の生成. 式 また は乾式で分解 され る。 炭素繊維 は熱処理温 度 によ って ,耐 炭化繊維 ,炭 素質繊維 ,黒 鉛質繊維が 得 られ ,ま た熱処理工程 で繊維 を緊張 ある いは延伸 して 配 向 させ ると,高 強 度. (HT),高 弾性率 (HM)タ. イプ の ものが得 られ る。 それ らの熱処 理温 度. と強度 ,弾 性率 の 関係 を図 4に 示す。 表 2に. rll‐. 販 の 炭素繊維 の特性 を示す。各 グ レー ドによ り特性値 が違 い ,炭. 素繊維 を利用す る場合 ,そ の用途 に見合 うグ レー ドの ものが使用 され る。例 え ば機械 的強度 (高 強度 ,高 弾性率 )を 要求 され る用途 にはハ イグー レ ドの. HT,HMタ. イプ ,耐 熱 ,耐 薬品性 を要 求 され る用途 には低弾性率品. が使用 され る。. (LM).
(7) 渡. 辺. 正. 元. 40 弾. ０ ３. ０ｆ ｇ 引張り強さ︵ ／耐︶ １ ｋ. 40°. . 30. . 103. ０ ２ . 20. ソ. . mポ. ０ １. 10. 1000. 1400. 1800. 熱処理温度 図4. 当 姜. 2200 (℃. 2600. ). PAN系 炭素繊維 の熱処理温度 と材料力学的性質 表 2 市販炭素繊維 の特性 ハ イ グ レー ド. 耐炎化繊維. PAN. 75. l.81. 100. 290. 210. 7. 23. 40. ピ ッチ. ピ ッチ. l.4. 1.6. 1.6. kgf/mm2. 23-33. 100. 10kgf/mm2. 1-1.1. 7. kCa1/m・. Ω OCm 10-6/Oc. wt%. hOOc. l。. 15. 1.1. 1× 1010∼. H TIH M PAN. PAN. プ レカーサー 比. 重 引 張 り強 さ 弾 性 率 熱 伝 導 率 固 有 抵 抗 熱膨張係数 炭 化 率. 炭素質 1黒 鉛質. 12. 7× 10 3. 62. 3× 10 3. 1.7. 1.5. 99.5. 99.8. 2× 10 3. 8× 10 4. 95. 3.中 間製 品 の種類 と物 性 炭素繊 維が使用 され る製 品形態 と して は ,フ ィ ラメ ン トワ ィ ンデ ィ ングの よ うに炭素繊維 トウを 直接使用す る場合 (例 ,一 部 の ゴル フシ ャフ ト)も あ るが ,大 部分 は マ トリックス 樹脂 の合浸 な ど 使用 し易 い形態 (プ レプ レ ッ グ)に まで加 工 した 中間製 品が 占め て い る。.
(8) 104. 炭素繊維 の特性 について. (1)マ トリックス樹脂 炭素繊維 の マ トリックス樹脂 と しては,エ ポキ シ,ポ リイ ミ ド等 の熱硬化 性 樹脂 が主 と して使用 され てい る。. A.エ ポキ シ樹脂 エ ポキ シ樹脂 が好 んで使用 され る理 由 は. ,. (a)低 収縮性 で揮 発性反応物 が存在 しないため ,歪 や気泡が比 較的少 ない 複合材 の成形が可能 で あ る こ と (Ы. 表面処 理 され た炭素繊維 との結合 が良 好 で あ る こ と. (C)樹 脂を硬化剤 との組 合わ せをいろいろ選択す る こ とが可能 であ る こ と (d)複 合材 の製造操作 が比 較的簡単 で ,か つ経済 的 で あ る こ と な どの利点 を も って いるためで あ り,一 般産業用途 で は低粘 度 の ビス フ ェ ノー ル F型 エ ポキ シ樹脂 が使用 され てい る。 最近 では. Ciba社 0510,GE tt Arnoxな どの新製 品が開発 され ,急 速. 硬化 で反応熱 も小 さ く,厚 物成形 が可能 なため ,今 後 の 発展が期待 され る。. Narm∞. 社 は エ ポキ シ 樹脂 で 低発煙 , 自己 消火性 の ものの 開発 に成功 し. た。 ま たよ り高温 に耐 え る改質 エ ポキ シ樹脂. HME(High― 宙nyl Modined. Epoxy)も 開発 され た。. B.ポ. リイ シ ド樹脂. 1970年 代 に入 って ,耐 熱性 の す ぐれ たポ リイ ミ ドが本格的 に主用化 され. ,. 現在 ジェ ッ ト機 の エ ンジ ンカバ ーな どに使用 され て いる。 ポ リイ ミ ドの 研究 は. Du Pont社 が1968年 に Pyraline 3003,72年 に耐酸. NR-150を 開発 した。 しか しイ ミ ド反応中に 水 を生成す る 欠点が あ る。 TPW社 はポ リイ ミ ド P13Nを 開発 し, これ は付加反応 型で 化性 を改良 した. 成形性 が改良 され た。 NASAは 液状 ポ リイ ミ ドプ レポ リマ ーの 開発 に成功 し. LARC-160と. 名付 けた。. (2)プ リプ レ ッグ 炭素繊維 トウを エ ポキ シな どの マ トリックス 樹脂 に合浸 し,半 硬 化 状 態 (B一 stage)ま. で 加 工 した ものをプ リプ レ ッグ と呼ぶ 。 現在使用 され て い る.
(9) 辺. 渡. 正. 元. 105. 中間製品 と しては この形が最 も多 い。 プ リプ レ ッグ製造法 は樹脂 の合浸法 によ って次 の 2つ に分 け られ る。. A.ウ. ェ ッ ト方 式 (溶 剤 タイプ). 樹脂 を有機溶剤 に溶解 し,炭 素繊維を含浸 してその後溶剤 を加熱除 去す る 方式. B.ド ライ方式. (ホ. ッ トメル トタイプ). 樹脂を合浸部で加熱 溶融 させて合浸 させ る方式で ,樹 脂 の形状 によ って(a) フ ィル ム状 の ものを用 い る場合 と,{Jバ ッキ ング・ペ ーパ ー上 に塗布 され た ものを用 いる場合が あ る。 米国を中心 と して ,Bの ドライ方 式が次第 に 多 くな りつつ あ るが ,両 方式 には製造上 ,得 られ るプ リプ レ ッグか らの コ ンポ ジ ッ トの性能 上 ,そ れぞれ 特徴 ,優 劣が あ る。. 炭素繊維複合材料の特徴. 4。. CFRPと GFRP,Steel,チ. タ ン,ア ル ミ等他 の材料 との物性 の比較 を表 3. 表 3 他材料 との物性比較. 1. 単. 位. I CFRPI GFRPl. 引 張 強 度 引 張 弾 性 率. 4. 重. 度. 強. 比. 弾. 性. 2。. 0. 93.8. 率. 2.0. 比 強 度 比 率. 3.9. 比 弾 性 率 比率. 7.2. 熱 伝 導 率. 1.5. 熱 膨 張 係 数 電. 気. 抵. 抗. 50 -0。 7. +30. 30. 70,000. 0.8. ζ墓 1.
(10) 炭素繊維 の特性 について. 106. に示す。 炭素繊維複合 材料. (CFRP)の. 特徴 と して は次 の 8つ の点が あげ られ るっ. (1)軽 くて強 い ,岡 1性 が高 い。 (2)耐 疲労性 が よ い。 (31 振動減衰 が速 い。. に)熱 膨張係数 が小 さ く,寸 法安定性 が よ い。. (5)電 気伝導性 ,熱 伝導性 が よ い。. (6)X線 透過性 が よ い。 (7)耐 摩耗性 が よ く,摩 擦 係数 が小 さい。 (8)耐 薬品性 がす ぐれ て い る。 構造材料 には荷 重が繰 り返 え しかか るもので あ り,初 期 の物性 が高 い こ と と同時 に,長 期 にわた り,強 度 や弾性率が低下 しな い こ とが重要 で あ る。図. 5に 各種材料 の疲労特性 を示 した。 炭素繊維複合材 料 の疲労特性 は在来 の材料 よ り,は るか に優れ てい る こ と が分 る。 100 90 80. 70. ︵ Ｓ︶燃漂葉哨. 60. サ イクル数. 50 40 30 20 10 0. 炭 素繊維 ガ ラス繊維 チ タニ ウム ア ル ミニ ウ ム 図 5 各種材料 の疲労特性.
(11) 渡. 辺. 正. 107. 元. 5.炭 素 繊 維 強 化 ポ リフェ ニ レンスル フ ィ ド (PPS) ウ ィル ソ ン・ フ ァイバ ー フ ィル 社 によ って最近 開発 され た4)も ので , この 成形用 コ ンパ ウ ン ドの炭素繊維配合率 は10∼ 40%で あ る。炭素繊維30%の グ. CF30は ア ンダー ライ ター ズ・ ラボ ラ トリーの VL規 格 で 厚 さ 1.59 mmの 場合 VL 94V一 〇 級 に合格 して い る。 レー ド J-1,3001. これ らの炭素繊維強化. PPSは 耐熱性 お よび電気伝導性 に優れ ,金 属的な. 響 きを もつ エ ンジニ ア リング樹脂 と して貴重 で ,バ ル ブギアー ,カ ムおよび. PPSの 物性. シール類 な ど広範囲 な用途が あ る。 表 4に は30%炭 素繊維強化 を示す 。 表 4 炭素繊維強化 ポ リフェニ レンスルフィ ドの物理. 引 張 り強 さ. び. 伸. (%). 2.0. 21,000. 吸水率 ,24時 間 成. 形. 収. (%). 縮. 熱 変 形 温 度 (°. C,0。. 19kgf/mm2荷 重下 ). 6.ス. 3.0 10,900. 8.17. 7.08. 0,03. 0.03. 0.0001. 0.002. 260. 260. ポ ー ツ製 品 へ の 応 用. 1972年 に米 国 で 初 めて CFRP製 の ゴル フク ラブ シ ャフ トが造 られ てか ら. ,. その需要 は優れ た特性 (比 強力 ,比 弾性率 が抜群 に高 く,バ ネが あ り,ま た 軽 量化 され重心が ク ラブの先端 の方 へ 移動 し,ボ ール の飛距離 が 伸 び る)の ため ,米 国 と日本で年 々その市場 が拡大 して い る。 1974年 に米 国 で 発展 され た. CFRP製 テ ニ ス ラケ ッ トは軽 量 ,. す ぐれ た振. 動減衰性 ,強 打 して も コン トロール が 自在等 の利点か ら年 々 日本 で も フ ァ ン.
(12) 炭素繊維 の特性 について. 108. がふ えつつ あ る。 釣 り竿 を炭素繊維複合材料 にす ると,軽 くな るので ,よ り長 い竿 が使え る の と,魚 信をよ り鮮 明 に手 に感ず るよ うにな るので理 想的 な材料 といえ る。 そのほか ア ーチ ェ リーの 弓や矢 ,カ ヌーや ボー トの胴やオール ,ヨ ッ トや ス キーの材料 に使用 され て いる。 米国 での1982年 のス ポー ツ用品向けの炭素繊維 の使用量 は約 120tで 航 空 宇宙 以外 の工 業用品向けの77tを 上 まわ ったが ,1986年 には工 業用 が ス ポー ツ用 を追 い抜 くとみ られ て い る。. 7.工 業 用 へ の 応 用 工 業用 は最近 い ろ い ろ新用途 が開発 され て お り,オ フ・ ロー ド設 備や テキ ス タイル 機械 な どのほか ,バ ル ブ,シ ール ,防 護服 ,溶 接 カーテ ンの ア ス ベ ス ト代替品 と して 使用 され て お り, 1981年 には その量が 約 45tに も達 した が ,そ の約50%が 航 空機用 ブ レーキで あ る。 工 業用途 の 中 ,最 近わが国 で 開発 され た電 極 と シール 材およ び導電性付与 剤的な充填剤 と しての炭素繊維 の使用 につ き述 べ る。. (1)電. 池. 電極材料 と して 炭素繊維 を使用 し,電 解質 を溶解 した有機溶剤 に 浸 漬 し て ,そ の電極 へ の ドー ピング も しくはア ン ドー ピング起電力を利用す る電気 学電池 が最近 開発 され た. 5)。. fヒ. 100∼ 2,500m2/gの 比表面積 を もつ 炭素成形 品 (好 ま しくは直径が 10∼ 20. μmの 炭素繊維 か ら構成 され た糸状 の もの ,ま たは シー ト状 の もの)を 電極 材料 と して用 い るが ,こ の ものは①化学 的 に極 め て安定 ,② 極 め て大 きい ド ー ピングが可能 ,③ p型 ,n型 どち らの不純物 の ドー ピング も可能 ,④ 電気 伝導性 が高 い ,⑤ 軽量 で取 り扱 い性 に優れ て いる,等 の利点が あ り,特 に② のため に高 エ ネル ギーの出力が可能 で ,① のた めに充電 して繰 り返 しは使用 す る 2次 電池 の製作 に有利 で あ る。. (2)シ ール 材へ の応用.
(13) 渡 辺 正 元. 最近 の新 しい シール 材 と して ,炭 素繊維 を用 いた ものが ,日 本 パ ル カー柳 で 開発 され ,相 当 の市場性 を もちつつ あ る。 その優れ た耐熱性 ,耐 薬品性. ,. 機械 的性質 ,熱 伝導性 および低膨張 率 な どの諸特 性 によ る。 この よ うに優れ た諸特性 を もつ 炭素繊維 を構成材料 と した シール材 は,従 来 の石綿 を用 いた シール 材 に くらべ , 苛酷 な条 件 (温 度 ,. PV値 ,. 薬品流. 体 )に 使用可能 とな り,シ ールの 信頼性 と同時 に寿命 の 向上 もえ られ る。 ま た医学上 の 問題点が指摘 され て い る石 綿 の 代替材料 と して も期待 さ れ て い る。 シール 材 は動的 シール と静 的 シール 材 に分 け られ る。炭素繊維 はその す ぐ れ た 自己油滑性 や熱伝 導率 の大 きな こ と,耐 熱性 ,耐 摩耗性 ,高 弾性率 ,相 手材 を傷 めな い こ とな どの優れ た招動特性 によ り動的 シール 材 と して先 ず開 発 され た6)。. `動 的 シールの代表 的 なもので あ る繊 維パ ッキ ンは回転 ,往 復運動 の軸 シー ル に使用 され るもので あ る。炭素 シール 材 と しては ,ま ず この編組 パ ッキ ン があげ られ る。現在各 グ レー ドの炭素繊維 を基材 と した編組 パ ッキ ンが市販 され ,そ れぞれ の特性 に応 じた用途 に使用 され てい る。 炭素繊維 シール 材 と して は ,そ の外 に炭素繊維 の短繊維 を充填 した PTFE 成形 品な どが ,パ ッキ ン,ガ ス ケ ッ トと して使用 され てい る。 シール 分野 に お いては炭素繊維 は 2つ の側面 によ り大 き く位 置 づ け られ て いる。 1つ は従 来 の シール材 で は得 られ ない高機能 を発揮す る優れ た特性 を もつ 材料 で あ る こ とと,も う 1つ は先 に述 べ た石 綿 の 医学上か らくる代替材料 と し て で あ る。 現在市販 され て い る炭素繊維 シール 製品 の形状 と主 材料 および用途 を表 5 に示 した。. (3. 充填斉Jへ の応用. 炭素繊維 を導電性付与剤 と して用 いた複合材料 の導電 メカニ ズ ム と して. ,. 直接 2つ の導体が接触す る こ とによ って構成 され る 3次 元 的な行路が複合材 料 の 中 につ くられ る場 合 と,充 填導電体 の 間 に非導体 の間隙が あ って も, ト.
(14) 炭素繊維 の特性 について 表 5 炭素繊維 シール製品 とその用途 状. 形. 編組パ ツキン(八. (袋. 〃. (格 子編. 〃. (. ). (. 〃. ). 〃. (. ). ). 十. 〃. +. 〃. HT炭 素繊維 十PTFE. ッキ ン成 形 品. 炭素繊維 充填 +日FE. (. 十. 〃. +PTFE. 〃 ). 〃. そ の 他 成 形 品 形. 成. 品. 途. ポ ンプ,ブ ロア,撹 伴機 パル プ, ガス シール. 編). 〃. 用. 水,油 ポ ンプ 油 ポ ンプ. ). (. ″. 〃. ￨. 料. 材. 編) ″. 〃. 〃. Vパ. 主. ,. ポ ンプ,バ ル ブ バル ブ 耐酸 ポ ンプ バ ル ブ,プ ラ ンジ ャーポ ン プ ポン 芽 更 ラ 了二薙縄鶴福尿 プ ラ ンジヤーポ ンプ,シ リ ンダー, ラム,バ ル ブ ガスケ ッ ト,ノ ぐッキ ン,バ ル ブ シー ト. 炭素繊維 織物 +PTFE. ガスケ ッ ト,パ ッキ ン. ンネル効果 な どによ ってそれ らを通 じて電流 が流れ る場合 とが あ る。 7)は. 方山. 炭素繊維 の短繊維充填物 に関 し, 主 と して前者 の機構 に立 って理. 論 的な計算 と実際 のプ レス成形品 によ る実験結果 を比較 して い る。 炭素繊維 の混入充填 は ,導 電性以外 の樹脂特性 に も大 きな変化を与 え る。 表 6に 射 出成形用炭素繊 維充填樹脂 の特性 を示す。 表 6か ら炭素繊維 の充填 が ,単 に導電性 付与 の外 に ,剛 性 や強度を高 め. ,. 熱膨張係数 や成形収縮率 を低下 させ ,熱 変形温度 を上 げ ク リープ 変形 を少 な く し,逆 に衝撃強度を やや低下 させ る傾 向を示す こ とが分 る。. 自動車 へ の 応 用 米 国 で は1977年 の Energy Policy and Conservation Actに よ り,乗 用 車 の燃 費率 を78年 の 7.6km/ノ か ら, 85年 には 11.6km/ノ ヘ 向上 させ る目 標がか か げ られ ,エ ンジ ンの高能率 化 ,ボ デ ィの空 気抵抗 の 低減 と車体 の軽 量化 に開発 の努力が注 がれ て いる。 1979年. Ford社 は CFRPを 使用 し,50%強 の軽量化を達 成 したプ ロ トタ.
(15) 渡 辺 正 元 旨の特性 表 6 射出成形用炭素繊維 充填樹月. CF含. 量. 有. (%). 体 積 固 有抵 抗 (Ω Cm) 成 形 収 縮 率. (%). 1014. 2.0. 102. 1015. 0.25. 1.5. 1-10 0.2. 101 2。. 0. 10-. 103. 0.25. 引 張 強 度 (kg/cm3) 620 1,200 530 1,160 550 1,030 引 張 り伸 度. (%). 200. 3.9 720. 3.9. 曲 げ 度 強 (kg/Cm2). 650. 1,970 870. 1,600. 曲 げ 弾 性 率 (t/Cm2) アイ ゾット衝撃強度 (kg・ Cm/cm,ノ ッチ). 12. 106. 24. 101. 60. 2.5. 引張 り弾性率 (t/Cm2) 28.8 63.0. 熱変形温度(° C). (18.6 ks/cm3). 6.5. 6.0. 14. 7.8. 5.3. 3.4. 110. 162. 66. 250. 60. 210. 8。. 1. 1.1. 10.2. ５ ・ ８．. 7. 一. 0。. ４ ・ ７．. . 直 角 方 向. 〇 １. 熱膨張係数 (× 106/Oc) 流 動 方 向. ０２ ５ ０２ が０ ・０ ２ ０ ９ ４ ２ 一２ ７５８. ￨ ￨ ￨ ￨. 樹 脂 の 種 類. 1016. 104. 0.6. 0。. 790. 670. 1,600. 2. 90. 3.2. 0. 950. 950 2,250. 102. 24. 7.0. 14.7. 108 9。. 3. 129. 138. 6.8. 2.7. イプの乗用車 を発表 した。 しか しこの軽 量化 (320 kg)に 要 した コス トは約 18,000円. /kgと いわれ てい る。. 航 空宇宙産業で長年 にわ た り開発 , 利用 され て きた. CFRP技 術を 自動車. 工 業 に転移す るに当 って は ,(1)要 求 コス トの大 きな相違 (平 均材料 コス トは 航 空機で は. 110$/kgに 対 し,自 動車 で は約 2$/kg),(2)生. 産量 ,生 産性 の. 大 きな相違 ,13)安 全性 の相違 ,な どを十分認識 した上 で ,技 術的可能性 を追 求 し,コ ス トダ ウ ンヘ の努力を続 けなが ら,性 能 ,コ ス ト面か ら可能 な箇所 を 置 き換 え て ゆ く努 力が必要 で あ る。 乗用車 部品別 に見 た ス チー ル と. CFRPの 重量比較 は表 7の よ うで あ る。. 自動車 工 業 で特 に有 望 な用途 と して ,輸 送車用 リー フ・ ス プ リング , リヤ ・ ホイル 駆動車用 トラ ンス ミッシ ョン,シ ャフ トが挙 げ られ る。 タ ンク・ ロ. CFRPで 置 き換 え ると70∼ 60%の 軽 量化が可能 とな る。即 ち 59kgの ス チー ル 製 スプ リングは 14kgの CFRP ー リのスチール 製 リー フ・ ス プ リングを.
(16) 炭素繊維 の特性 について 乗用車 の部品別 にみた. 表 7. 品. ￨. CFRPの スチールの重量比較. スチール. CFRP. 210. 95. 129. 94. ン. ロ. 一 工 ゛ ハ ´ ア ト イ レ ン ン. ボ フ フ ゛ ハ ホ ド. イ ム. 44. 13. 56. 20. ル. 42. 22. ア. 71. 28. ド. で 置 き換 え られ る。 これ は車 体総重 量で 182kgの 軽 量 化 とな る。 4.3kgの. CFRP製. トラ ン. ス ミッシ ョン・ シ ャフ トは10.3kgの ス チー ル 製品 の性能 に匹敵す る。CFRP シ ャフ トは優れ た振 動減衰特性 を持 って お り,動 力伝達時 の騒音 は大 き く低 減 され る。 今後 さ らに期待 され る用途 と して は, シ ャシ 0ビ ー ム , トー シ ョン・ バ ー ,バ ンパ ー ,車 軸等が あ り,モ ー ター分野 で はブ ッシュ・ ロ ッ ド,コ ネ ク テ ィ ング・ ロ ッ ド,ロ ッカー ・ アー ム等が あげ られ る。 しか しこれ らの. CFRP製 品へ の実用化 は炭素繊繊 の 大幅 な コス トダ ウ ン. にかか って い る。. 9.航. 空 機 へ の応 用. 航 空機 へ の 応用 は約 10年 前か ら検討 され た。 開発 当初 は破壊 して も 飛行 に差 し支 えな い 2次 構造 部材 (床 , 車輪 の ド ア,ス ポイ ラーな ど)に 使用 され たが ,現 在 で は 1次 構造材 と して も使われ 始 め て いる。 商用航 空機 ,例 えば旅客機 ボーイ ング767に 予想 され る CFRPの 応用箇所 を図 6に 示す。. CFRPは アル ミ合 金 に比 べ ,. 弾性率が 追か に高 いた め , 主・ 尾翼構成 で. は桁 材等 の 部品数が少 な くて すむ。 エ ンジ ンの コ ンプ レ ッサー ・ ブ レー ドな らびにケース ,胴 体 の骨格構造部材等 に. CFRPを 使用すれ ば,. 機体重量 は.
(17) 渡 辺 正 元. ″ ― 申. 炭素繊維 ケ フラー. (ケ. プ ラー 0は デュポ ン社 の ア ラ ミ ド繊 維 の 商標 ). 維/ケ ブラー. 卸. 讐7(硝 更. タ 9炉 私 炭 穐 ン 素私 維 ' 主 車輪格納 扉 炭素繊維/ケ フラー 前・ 後 部支柱 の整 形構 造 部. 図 6 旅客機ボーイング 767に 使用されている高性能複合材料. 大 幅 に低減 され る。 現在旅客機重量を約 40%ま で軽 量化す る計画が進 め られ て い る。 マ グ ドネル ダグ ラス社 は主 翼 を. CFRPで 造 った垂直離陸型機 AV-8Bを. 製造 した。約 27%の 重量軽減 にな ったが ,原 価 は約 19%も 高 くな った。 米 国海軍 の F-18戦 闘機 は全重量の約 10%に 当た る約 500kgを. CFRPで. 設 計 され てい る。 1981年 10月 ロサ ンゼルス市 で 開催 され た航 空機用複合材料 シ ンポジ ウムで ボーイ ング 767の 機体設計者 ハ ンマー は新 767機 の方 向舵 ,昇 降舵 ,安 全装 置 その 他 に. CFRPを 大幅 に使用す る計画を進 め ,. で きると発表 した (前 出の図. 重量を 907 kgも 軽 量化. 6)。. 1981年 に リア ー ・ フ ァ ン社 は2100ツ イ ン・ ター ビ ン機 を発表 したが , 7人 乗 りの 商用機. CFRPが 胴体 ,. 翼 パ ネル ,翼 桁 ,フ レーム,尾 翼安定枝 ,操.
(18) 114. 炭素繊維 の特性 について. 縦装 置お よびプ ロ ップな どの構造材 に使用 され ,エ ンジ ンを除 く 大 部 分 が. CFRPに な って い る。 ノー ス ロ ップ社 の す る 1,043 kgの. F/18-18Aホ ー ネ ッ ト機 で は機体重量 の約 9%に 相当. CFRPが 使用 され てい る。. ノース ロ ップ社 で は1990年 まで に新複合材料 が機体重量 の 約 50%を 占め る と予測 して いる。 ボー イ ング社 は新 737機 の水平安定装 置を ,ダ グ ラス社 は. DC-10の 安定板 を ,. ローキー ド社 は L-1011の 垂直安定板 を. CFRPに す. る計画 が ある。 航 空機 工 業 で は米 国 だけで1982年 には約 680tの 炭素繊維が 使用 され た と いわれ る。 ボーイ ング社 で は757型 及 び767型 機 の フ レー ム だけで 1984年 に 181tの 炭 素繊維 を使 う予定 で ,こ れ で 年間 1機 当 り22,000$の 燃料が節約 で きると し てい る。 10。. 宇 宙機 器 へ の応 用. 宇宙 ロケ ッ トは航 空機 よ りも更 に軽 量化が重量であ る。1の 重量 の ものを 打 ち上 げ るの に20以 上 の重 さの燃料が必要 であ るとされ てい る。宇宙 ロケ ッ トの 材料 には ,高 温 に耐 え強 くて軽 い ものが 要求 され る。高温 の燃焼 ガスが 噴 出す る ロケ ッ トエ ンジ ンの ノズル や ス ロ ッ ト部 は,大 気圏 に再突入す る時 に大気 との摩擦熱 で 高温 にな る ロケ ッ トの 頭 の 部分な どに炭素繊維 に黒 鉛材 料を強 化 した炭素 /炭 素複合材 が用 い られ る。 これ は航 空機の ブ レー キ ・ デ ィス クに も使用 され る。 ス ペ ース シ ャ トル には 18.2× 4.6mの 巨大扉を. CFRP化 し約 400. kgの. 重量軽減が され て いる。 11。. おわ りに. 世界 の 炭素繊維 メー カー数 は米 国 6社 ,英 国 2社 ,西 独 ,フ ラ ンス 1社 日本 5社 で合計 15社 で能 力 は約 3,000t/yと 推定 され る。. ,.
(19) 渡. 辺. 正. 元. 国際 的 に見 て ,炭 素 繊 維 メー カー相 互 間 に は技 術 開 発 ,生 産 ,販 売 等 の 面. UCC社 と Hyfil社 ,東 邦 レ抑 は Celanese社 と Sigri社 ,日 本 カー ボ ン欄 はEnka社 ,住 化欄 は Hercules社 ,三 菱 レ柳 は で 提 携 が 盛 ん で 東 レ例 は. Courtanlds社 とそれ ぞれ提 携 して い る。 1983年 に お け る米 国 の 炭 素 繊 維 の 市 場 は航 空宇 宙 関係 が. 400t,ス. ポー ツ. 用 品 と産 業 用 が 300tと 推 定 され て い る。 炭 素 繊 維 は開発 当初 は約 30万 円 /kgと い う高 価 な材 料 で あ ったが ,生 産技 術 が 進 歩 した結 果 ,現 在 で は約 1万 円台 /kgで 市 販 され るよ う にな った。 価 格 は ス ペ ック の 厳 しい航 空宇 宙 用 に は 8,000∼ 9,000円 ポー ツ用 に は 4,000∼ 5,000円. /kg,工 業 用 や ス. /kgに 近 い将 来 達 す る も の とみ られ る。. 自動. 車 向 け に は ,わ が 国 で もプ ロペ ラ シ ャ フ トや ス プ リング にか な り研 究 開 発 が な され て い るが ,価 格 が 現 在 の 何 分 の一 か にな らな い と実 用 化 は難 しい と考 え られ ,価 格 の 最 も厳 しい 分 野 で あ る。 献. 文. 1)大 谷, 日特公昭41-15729,Bull.Chemo Soc.Japan,43,13291(1970). 2)進 藤, 日特公昭37-4405,38-12375。 3)渡 辺,衣 生活研究,10,18(1983). 4)Eur.Plastics News,Nov.1981, p。. 39.. 5)花 王石鹸,特 開昭58-35881,特 開昭58-35874. 6)中 野,工 業材料,29,41(1981). 7)方 山,工 業材料,23,85(1975)..
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