CFRPとは
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)
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
・CFRPの特性からみた用途 「機械的特性」「熱的特性」「電気的特性」
・CFRPの成型方法
・CFRPと炭素繊維の歴史
・CFRP(炭素繊維)メーカー
・各種材料の特性比較
・さらに詳しい技術情報
CFRPの特徴
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
- 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
- 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
- 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
- 釣り竿
- テニスラケット
- ゴルフシャフト
- スノーバイク
【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
- ビーム・ローラーシャフト
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
【X線特性】
X線透過性
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
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 |