カーボン(CFRP)素材の強み・特徴

カーボン(CFRP)とは?

一般的にカーボンと呼ばれるCFRPは「Carbon Fiber Reinforced Plastics」の頭文字をとった略称で、炭素繊維強化プラスチックのことです。炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させて成型加工したものであり、炭素繊維複合材料とも言います。

CFRP

炭素繊維とプラスチックを組み合わせることでそれぞれの特長を活かした軽くて強い材料に生まれ変わります。自動車/航空機/圧力容器/風力発電ブレード/建築・土木/スポーツ・レジャーなど様々な業界で採用されています。

カーボン(CFRP)の成形方法

一般的にCFRPはプリプレグ(炭素繊維に樹脂を浸透させたシート状の製品)を積層し、加熱・加圧・冷却して成形します。成形品は大きく熱硬化性(CFRP)と熱可塑性(CFRTP)の2タイプに分類されます。当社では「熱硬化性(CFRP)」の加工サービスのみを取り扱っています。

  • 炭素繊維・樹脂

    炭素繊維・樹脂

    炭素繊維に熱硬化性の樹脂を含浸

  • プリプレグ

    プリプレグ

    炭素繊維に樹脂が含浸しているシート状の織物。炭素繊維が「縦横に織られた織物材」と「一方向に並んだUD材」があります。織物材は織り方によって平織、綾織などがあります。

  • 成型品

    成型品(板)

    さらに、このCFRP板からCNC加工を行い部品を削りだします。

カーボン(CFRP)の主な特徴

カーボン(CFRP)素材は軽量化できて強いイメージがあるかと思いますが、ここでは素材の長所と短所を紹介しています。ぜひ参考にしながらカーボン素材を検討してみてください。

カーボン(CFRP)の長所

軽くて強い
カーボン(CFRP)の長所はひとことで言うとこれに尽きます。CFRPと鉄やアルミを比較した結果が以下のグラフです。
CFRP

このように質量が同じなら、鉄をCFRPに置き換えることで強度・弾性率とも大幅にアップする事が出来ます。

錆びない、腐食しない
金属ではなく、プラスチックなので錆びることはありません。これも鉄やアルミをカーボンに代替えする大きなメリットと言えます。また、耐薬品性も高く、酸やアルカリに強いです。
熱膨張係数が小さい
温度の上昇によって物体の長さ・体積が膨張する割合が少ないので寸法安定性に優れています。
X線透過性が高い
X線透過性はアルミの約5倍と言われているため、医療分野において、人体への影響を軽減しながらも鮮明な画像を撮影することができます。
振動減衰性に優れている
振動を素早く吸収するので、精密機器において精度向上に貢献しています。
電磁波遮断性に優れている
導電性があることによって、電磁波遮断性があります。精密機器など、電磁波に弱いもの防護することができます。

カーボン(CFRP)の短所

塑性変形しない
金属と違って塑性変形しません。出来上がったものは曲げられないので、それを見越した設計をすることが必要になります。無理に曲げようとして、ひずみの限界を超えると破壊されてしまいます。
溶接できない
他の素材と結合するには、接着もしくはボルトやリベットを用いた機械的結合が必要です。
製造コストが高い
原料となる炭素繊維そのものが高価である上、熱硬化性樹脂は成形にかかる時間が長いので生産性が高くありません。さらに、強度が高いので加工する際に工具の摩耗が非常に激しく、これらの要因が製造コストの高騰に繋がっています。
リサイクルが難しい
とても丈夫で完全には燃え尽きにくいという特性から、廃棄物として出た場合焼却処分が難しく、使用済み品の後処理の部分で問題点を抱えています。

カーボン(CFRP)が使われている製品

現在ではカーボン素材はあらゆる業界・分野の製品に使用されています。カーボン素材を活用することでさらなる飛躍が見込める製品や業界があるかもしれません。以下は現在、カーボン素材が使われている業界・分野です。

自動車・航空部品
自動車・航空部品

自動車はCFRPを採用することによって従来の材料だったスチールと比べ、かなりの軽量化効果が期待できます。また腐食(錆や劣化)や油、一部の薬品に対しても耐久性が高くなるため効果的です。航空機でも主に軽量化を目的として採用されますが組み立て作業工数削減を実現できた事例もあります。

土木・建築

CFRPをより合わせたケーブル材が、アメリカでは既にコンクリート桁の緊張材やスターラップなどに使われています。日本企業の中には、アメリカの橋でCFRPの採用実績を伸ばしている企業もあり湾岸地域や寒冷地で錆びないCFRPのケーブルは重宝されているようです。

産業用ロボット
産業用ロボット

製造工程を自動化する産業用ロボットにもCFRPは採用されています。大型の製品を作るロボットはそれに併せて大型化する必要がありますが素材が金属だとかなり重くなり、使用するエネルギーも大きくなります。そこで、部品にCFRPを採用すると重量を大幅に軽減する事が出来る為、省エネが出来るようになります。

スポーツ・レジャー
スポーツ・レジャー

高比強度・高比弾性率が評価され、1970年代頃にはゴルフシャフト・釣竿・テニスラケットなどに使用され始めました。当時はかなり高価だったため一部のマニア向けの商品でしたが比較的価格の下がった現在では野球バット・スキー板などにも採用され一般的に認知されています。近年ではキャンプ用品にも活用されています。

圧力容器
圧力容器

トラックやバスに搭載する天然ガスのタンクなどにCFRP製タンクが採用されています。燃料電池車が一度の水素ガス補給でガソリン車並の距離を走行するには70MPaもの高圧水素タンクが必要です。そのような高圧タンクを自動車に搭載できる軽量性を兼ね備えて製造するためには炭素繊維が必要不可欠です。

医療機器・介護用器具
医療機器・介護用器具

CFRPはX線透過性が高く、軽量かつ高剛性なので医療現場や福祉機器などの部材に適した素材として使われています。主に、線(レントゲン)やCTスキャン、MRI撮影用の天板や撮影台、福祉関連では義足や外科装具、車いすや介護ベッドなどへの利用が進んでいます。