CFRPとは

CFRPとは炭素繊維で強化されたプラスチックです
C-FRPとは、炭素繊維で強化されたプラスチックスのことであり、先端複合材料ーACM(Advanced CompositesMaterials)ーの中でもっとも注目を集めている材料です。
古代からの粘土を藁で補強するレンガ造りの発想に起因します。

日本では、土壁の“竹ひごと粘土土”の構造と見ることができ、成形品の性能は、複合化される繊維の形態及びその種別、積層方向やマトリクスでその性能が極端に違ってきます。
技術資料「設計の基本」参照のこと

目次

CFRPの特徴

サンプル

CFRPの特徴は「軽い」「強い」「腐食しない」です。
カーボン繊維をエポキシ、ポリイミドなどのマトリックス樹脂で成形・加工して製作しますが、用途、要求特性に合せて、カーボン繊維の種別、配向、組合せなどを設計する材料でもあります。
その特徴は、異方性、不均質性を生かすことで、

  • 軽量(スチールの約1/5)
  • 高剛性(スチールの約2倍)
  • 高強度(スチールと同等以上)
  • 高熱伝導性(スチールの1/2~1/3)
  • 低熱膨張性(スチールの1/10)
  • 導電性
  • X線透過性                                               というような利点を持っています。

また、「疲労強度に強い」「耐薬品性に優れる」「通常の熱的環境で安定」といった様々な特性があり、複数の金属部品を統合した形状にできる等、様々な分野において信頼性の高い材料です。

弊社では、CFRPの登場時より注目し、設計・加工についての研究を重ね、CFRPの設計・加工については業界トップレベルにあると自負しております。

CFRPの特性からみた用途

    構造材料には様々な性質(大別すると、物理的な性質と化学的な性質)があり、
    FRPにおいては、機械的性質(力学的性質)、熱的性質、電気的性質、磁気的性質、光学的性質があります。
    複合化される材料の個別の特性を熟知したうえで、所期設計したとおりの性能が担保できる成形方法を選択し
    設計、造形します。
    造形が終わってしまうと確認できないことが多くあるため、
    決められたプロセスを素早く確実に履行(トレーサビリティ)することが肝要になります。
    特に湿式成形は職人的な感性が求められます。




【機械的特性】  mechanical properties

  金属・木材・プラスチックなど工業材料に於いて、硬さや引張強さ、伸び、耐衝撃、耐疲労、クリープの強さなど
  機械的変形及び破壊に関する諸性質のうち、特に、軽量・高剛性・高強度、振動減衰性等の有用性から以下の用途への
  採用が望めます。

産業用機器
産業用機器
  • 搬送用ロボットアーム・フレーム
  • ビーム・ローラーシャフト
  • PAシャーシ
医用機器
医用機器
  • X線天板
  • X線フィルムカセット
  • 機構部品
  • ヘッドレスト
  • ターゲットコイル
  • ファントム
宇宙機器
宇宙機器
  • 衛星構造体
  • 搭載アンテナ
  • 太陽電池パネル
自動車部品
  • リリーフバルブ
  • ディスクパッド
  • ブレーキライニング
  • クラッチフェイシング
  • 整流板
レジャー用品
レジャー用品
  • 釣り竿
  • テニスラケット
  • ゴルフシャフト
  • スノーバイク
その他
その他
  • 耐震補強








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【熱的特性】  thermal properties

  熱膨張係数(線膨張係数)、比熱、熱伝導率、及び、熱拡散率などを一括して熱的性質または熱特性と云いますが、
  熱膨張係数は単位温度変化に対する長さ変化率であり、線膨張係数とも呼ばれる。
  単位質量の物体を1℃上昇させるのに要する熱量を表す比熱(J/g・K)や定常状態の温度勾配などを求めるときに
  用いられる熱拡散率(㎡/S)はFRPとしての要求特性としては後順位になります。
  ピッチ系炭素繊維は線膨張係数が「マイナス」であることが、高熱伝導性、低熱膨張性に於いて有用です。


産業用機器
産業用機器
  • ビーム・ローラーシャフト
宇宙機器
宇宙機器
  • 衛星構造体
  • 搭載アンテナ
  • 太陽電池パネル
その他
  • 焼成炉

【電気的特性】  electrical characteristics

伝導性

宇宙機器
宇宙機器
  • 衛星構造体
  • 太陽電池パネル
  • 搭載アンテナ

【X線特性】

X線透過性

医用機器
医用機器
  • X線天板
  • 機構部品
  • X線フィルムカセット

【化学的特性】

耐食性・耐薬品性・耐候、活性

その他
  • 活性炭

【その他】

アウトガスが少ない、形状成形性の良さ

その他
  • 製袋器                                            





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CFRPの成型方法

    FRPには様々な成形手法があり、中間期材の性状によって、湿式成形と乾式成形に分されます。
    成型方法の決定は製品の用途、形状、期間生産量などによって選択されます。詳しくはこちら




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CFRPと炭素繊維の歴史

    炭素繊維の起源は19世紀末にトーマス・エジソンとジョセフ・スワンが木綿や竹を焼成した炭素繊維をフィラメントとして
    用いて電球を発明したことが始まりです。
    しかし、炭素繊維の存在はタングステンのフィラメントの出現によって忘れ去られてしまいました。
    炭素繊維が再び注目されたのは、1950年代、耐熱性と安定性が要求されるロケット射出口の部材として採用されてからです。
    これを起点に炭素繊維の歴史を刻み始めます。

    1950年代  東レがアクリル繊維の基礎研究着手、旭化成がアクリル繊維の事業化、ナショナル・カーボンがレイヨン系炭素繊維を発明
    1961年   通商産業省工業技術院大阪工業試験所(現 産業技術総合研究所)の進藤氏によりPAN系炭素繊維が発明
    1963年   群馬大学の大谷教授がピッチ系炭素繊維を発明
    1970年代  強化プラスチックの補強材や複合材料の素材として使われ始める
    1980年代  繊維の製造コストの逓減や造形手法の進歩 ロケットをはじめとする宇宙・電波機器や航空機などの大型輸送機器への
          採用により、先進的な構造品から身近な製品にまで応用の幅が広がった。




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CFRP(炭素繊維)メーカー

    日本初の技術であり、現在でも世界市場の占める日本企業のシェアは極めて高く、ピッチ系炭素繊維に至っては
     日本企業の独壇場といっても過言ではありません。

     [PAN系メーカー]
          ■東レ
          ■三菱レイヨン(現 三菱ケミカル)
          ■東邦レイヨン(現 東邦テナックス)
     [ピッチ系メーカー]
          ■三菱樹脂(現 三菱ケミカル)
          ■日本グラファイトファイバー
          ■クレハ






各種材料の特性比較

FRP先端複合材料

  <CFRP>
高強度繊維(1方向)
PAN系繊維
T300~T800 Vf:60
<CFRP>
高剛性繊維(1方向)
ピッチ系繊維
M24~M85 Vf:60
<GFRP>
ガラス繊維(1方向)
Vf:60
<ArFRP>
アラミド繊維(1方向)
ケブラー49繊維
Vf:60
<SicFRP>
炭化珪素繊維
比重 1.5 1.7 2 1.4 2
引張強さ
kgf/mm2
160 - 450 150 - 200 110 150 - 200 150
引張弾性率
kgf/mm2
12,000 - 15,000 24,000 - 49,000 4,500 7,000 15,000
曲げ強さ
kgf/mm2
130 - 200 60 - 120 115 60 190
曲げ弾性率
kgf/mm2
9,000 - 13,000 15,000 - 42,000 4,500 7,000 14,000
線膨張係数
10-6/℃
0.2 - 0.4 -0.8 - -1.3 7 -1.5 2.6
熱伝導率
Kcal/m・h・℃
3 - 3.5 4 - 5 0.24 - 0.28 0.1 - 0.2 0.3
体積抵抗率
Ω・cm
4×10-5 2×10-5 1×1015 1×1012 1×103
連続使用温度
(ガラス転移点)℃
120 - 200 120 - 200 120 - 200 120 - 200 120 - 200

高機能メタル

  アルミニウムA5052 ステンレスSUS304 チタン6AL・4V マグネシウム インバーFe-Ni合金
比重 2.7 7.9 4.5 1.8 8.05
引張強さ
kgf/mm2
25 60 100 25 59.7
引張弾性率
kgf/mm2
7,200 21,000 12,000 4,500 12,700
曲げ強さ
kgf/mm2
- - - - -
曲げ弾性率
kgf/mm2
- - - - -
線膨張係数
10-6/℃
23.6 17.5 8.2 26 0.9
熱伝導率
Kcal/m・h・℃
100 12.9 6.8 120 9.4
体積抵抗率
Ω・cm
2.65×10-6 72×10-6 42×10-6 4.45×10-6 -
連続使用温度
(ガラス転移点)℃
250 600 350 120 600

パフォーマンスエンプラ

  MCナイロン PEEK PBI ポリアセ
タール
ポリエーテル
イミド
PPS ポリイミド
比重 1.15 1.32 1.3 1.33 1.27 1.35 1.4
引張強さ
kgf/mm2
8.6 10 16 4 12.6 9.5 9.4
引張弾性率
kgf/mm2
380 280 560 280 300 1,400 304
曲げ強さ
kgf/mm2
11 17 22 9.1 16 16.5 13
曲げ弾性率
kgf/mm2
355 400 650 140 310 350 350
線膨張係数
10-6/℃
83 50 23 167 56 50 36
熱伝導率
Kcal/m・h・℃
- 0.22 0.35 0.2 0.19 0.28 0.34
体積抵抗率
Ω・cm
1×1015 1×1016 1×1015 1×1012 1×1015 1×1017 1×1015
連続使用温度
(ガラス転移点)℃
120 250 350 120 170 220 304

無機類

  マイカレックス マコール アルミナ グラファイト C/Cコンポジット
比重 3.5 2.5 2.9 1.6 - 1.7 1.45 - 1.75
引張強さ
kgf/mm2
5 10 3.5 210 - 550 5 - 8.2
引張弾性率
kgf/mm2
- 5,600 3,5000 950 - 1,200 29,900
曲げ強さ
kgf/mm2
7.5 - 11 1.5 28 - 35 2.2 - 9 12 - 42
曲げ弾性率
kgf/mm2
- - - 9,373 - 13,873 1,800 - 13,000
線膨張係数
10-6/℃
10 10 7.8 3 - 4.2 0.5 - 0.6
熱伝導率
Kcal/m・h・℃
- 14 0.06 81 - 128 3 - 5
体積抵抗率
Ω・cm
1×1015 1×1014 1014 0.9 - 2.2 260 - 290
連続使用温度
(ガラス転移点)℃
350 1,000 - - 3,000

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