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No.R07S0014

炭素繊維・炭素繊維複合材料の未来

出版日 2018年11月
価格
印刷タイプ 70,200円(税込)
ページ数 A4判 342ページ
発行<調査・編集> S&T出版(株)

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レポート内容

■概要■
 丈夫な材料の追求が行き着く先は、金属でもセラミックスでもなく、高分子や炭素材料のように軽元素が共有結合した材料であり、それらは必然的に軽量材料である。その理由をKellyが名著STRONG SOLIDS(Oxford University Press)の中で記している。そして、このような材料を一旦繊維状にして、高次の集合構造を付与し、それらを再び結合して作られる繊維強化複合材料は、物質の力学的性能を極限まで引き出せる可能性を秘めた極めて巧みな物質の利用形態であり、原料から最終製品を直接成形する方法では得られない数多くの利点を有している。まず、繊維状にすることは単に細く長くしているのではなく、これにより高い分子配向や結晶化度が得られている。また、例えば板ガラスがどこか一ヶ所の傷を起点として一気に破壊するのに対して、ガラス繊維の集合体では何本かの繊維が破断しても全体の破断に至らないという寸法効果が発現する。繊維状にすることによって固くて丈夫で加工し難い材料を自由な形状に成形することが可能になり、繊維の方向を工夫することによって異方性のコントロールや等方性材料にはない変形挙動を取らせることもできる。繊維─マトリックス界面を利用した物性のコントロールも可能である。
 炭素繊維には丈夫さや軽さ以外にも、繊維軸方向の熱膨張係数が負であること、熱伝導率が高く、中には銅の2倍を越えるものもあること、導電性を示すこと、X線吸収率が木材の1/2 以下であることなど、様々なユニークな特性がある。熱膨張しない大型電波望遠鏡など、これらの特性を活かした多様な分野への応用展開が今後益々盛んになると予想される。炭素繊維及びその複合材料は未来に向けて発展し続けるであろう。
 本書は、炭素繊維及びその複合材料の研究開発においてポイントとなる事項、基本的なコンセプト、種々の評価・解析手法、最先端の製造技術、研究開発動向、将来展望などについて、各方面の最前線でご活躍されている方々からご提供頂いた貴重な情報の集大成である。

-CONTENTS-

<1>炭素繊維・炭素繊維複合材料技術の現状
1.炭素繊維の製造方法
(1)PAN系炭素繊維
 ・炭素繊維の発明
 ・PAN系炭素繊維の誕生
 ・PAN系炭素繊維の製造方法
 ・PAN系炭素繊維の物性
 ・PAN系炭素繊維の構造変化と物性の発現
(2)ピッチ系炭素繊維
 ・歴史
 ・製造方法
 ・ピッチ系炭素繊維の構造、組織および物性
 ・用途
  -長繊維異方性ピッチ系炭素繊維の用途
   高引張弾性率を利用した用途
   高熱伝導性を利用した用途
   低熱膨張を利用した用途
  -短繊維等方性ピッチ系炭素繊維の特徴と用途
   ミルド繊維
   チョップド繊維
   カーボンペーパー、カーボンシート
   吸音軽量断熱材
   カーボンフェルト断熱材、成形断熱材
 ・おわりに
2.国内の研究開発動向
 ・自動車軽量化炭素繊維強化複合材料の研究開発
 ・炭素繊維製造エネルギー低減技術の研究開
 ・サステナブルハイパーコンポジット技術の開発
 ・革新炭素繊維基盤技術開発
 ・革新炭素繊維製造プロセス開発
 ・革新的新構造材料等技術開発
 ・プロジェクトの背景
3.海外の研究開発動向
(1)炭素繊維
 ・米国UT-Battelle, LLC(Oak Ridge National Laboratory)
  -プリカーサー
  -耐炎化工程
  -炭素化工程
  -日米プロジェクトの比較
 ・ヨーロッパ
 ・台湾
 ・オーストラリア
 ・その他
(2)炭素繊維複合材料
 ・オートメーション(自動化)
 ・マルチマテリアル/ハイブリッドデザイン
 ・プレイスメント技術
 ・産学連携
 ・複合材料の開発体制

<2>炭素繊維の評価技術
1.炭素繊維の異方性力学特性の評価・解析
(1)単繊維引張試験
 ・ワイブル分布に基づく単繊維強度分布の解析
 ・樹脂中での単繊維引張試験
 ・液体中での単繊維引張試験
 ・表面ノッチを導入した繊維の単繊維引張試験
(2)単繊維の三点曲げ試験
 ・はじめに
 ・実験方法
 ・結果と考察
 ・まとめ
(3)単繊維のねじり試験
 ・はじめに
 ・試験条件の影響
  -慣性モーメント
  -初期歪の影響
  -測定周期
  -ガラス管の影響
  -空気抵抗および内部摩擦
  -繊維径の影響
  -ねじり試験の条件の影響のまとめ
 ・ねじり-引張試験
(4)単繊維の軸方向圧縮試験
 ・緒言
 ・単繊維の軸方向圧縮試験法
 ・圧縮弾性率を測定する方法
 ・マイクロコンプレッション法を用いた圧縮試験例
  -圧縮強度の評価
  -圧縮弾性率の評価
 ・まとめ
(5)単繊維の横方向圧縮試験
 ・はじめに
 ・試験および解析方法
 ・結果と考察
 ・まとめ
(6)単繊維の到達可能強度の評価
 ・緒言
 ・強度ポテンシャルを表す指標について
 ・到達可能強度の推定方法~ノッチ導入引張試験~
 ・到達可能強度の評価例
  -炭素繊維の異方性を考慮した応力集中係数の計算
  -炭素繊維の力学的異方性評価
  -ノッチ導入引張試験
  -Point Stress Criterionを用いた到達可能強度
 ・まとめ
(7)単繊維の疲労試験
 ・はじめに
 ・炭素繊維の疲労
 ・単繊維試料で疲労試験を行う目的
 ・単繊維疲労試験の方法
 ・単繊維疲労試験から得られるデータの解析について
 ・おわりに
(8)炭素繊維の線熱膨張係数の測定
 ・はじめに
 ・熱膨張特性評価システムの構成
 ・測定試料および測定条件
 ・測定結果
  -繊維軸方向の測定結果
  -径方向の測定結果
 ・まとめ
2.炭素繊維の構造と力学特性の関係
 ・炭素繊維の構造
 ・炭素繊維の引張弾性率
 ・炭素繊維の横方向圧縮弾性率・横方向圧縮強度
 ・炭素繊維の繊維軸方向圧縮強度
3.母材の影響を含めた炭素繊維の評価
 ・はじめに
 ・炭素繊維の直接圧縮挙動とシングルファイバーモデルコンポジットにおける炭素繊維の圧縮挙動
 ・材料および試験片
 ・試験方法
 ・炭素繊維の電気抵抗測定による圧縮破壊の検出方法
 ・ワイブル分布による破断ひずみのばらつきの評価
 ・シングルファイバーモデルコンポジットの圧縮負荷における炭素繊維の電気抵抗変化
 ・圧縮破壊の観察
 ・圧縮破断ひずみ
 ・直接圧縮試験により得られる炭素繊維の圧縮挙動との比較
 ・おわりに

<3>炭素繊維複合材料の評価技術
1.炭素繊維複合材料の力学的特性の実験的評価法
(1)汎用樹脂系(PP/CF、PA/CF)
 ・はじめに
 ・繊維方向圧縮強度の理論検討
 ・実験方法
  -繊維初期不整配向やキンクバンドの内部撮像
  -従来の圧縮試験法の問題点
  -新しい圧縮試験法の提案と温度制御下での圧縮試験
 ・結果と考察
  -初期不整配向角の観察
  -温度依存パラメータの抽出と圧縮強度予測
  -圧縮強度とキンクバンド角
  -温度と圧縮強度
  -繊維初期不整配向とひずみ硬化指数の影響
 ・結言
(2)熱可塑性ポリイミド系(PI/CF)
 ・熱可塑性ポリイミド「オーラムR」の概要
 ・熱可塑性ポリイミド事業開発の背景
 ・熱可塑性ポリイミドの分子設計
 ・熱可塑性ポリイミド「オーラムR」の特長
 ・製品の用途展開例及び主要銘柄の物性
  -自動車用途での応用事例(シール部品)
  -電気電子・事務機器用途での応用事例
 ・熱可塑性複合材料(CFRTP)での検討事例
  -中間成形体(プリプレグ)向けの原料形態
  -パウダー含浸法での検討事例
  -樹脂フィルム含浸法
 ・今後の展開
(3)液晶ポリマー系(LCP/CF)
 ・緒言
 ・液晶性高分子
 ・炭素繊維複合材料の3点曲げ特性
 ・実験
  -LCP/CF-UD材の3点曲げ試験
  -LCP/CF-QI材の3点曲げ試験
  -LCP/CF系の単糸引抜試験による界面せん断強度評価
 ・結果と考察
 ・結言
(4)高機能樹脂系(熱硬化型導電性樹脂/CF)
(5)特殊樹脂系(熱可塑エポキシ樹脂/CF、PA/CF)
 ・はじめに
 ・熱可塑エポキシ樹脂
 ・現場重合ナイロン6
 ・まとめ
2.炭素繊維複合材料の界面評価法
(1)マイクロ・ドロップレット法
 ・はじめに
 ・"単繊維/樹脂"の界面のせん断強度評価法
 ・マイクロ・ドロップレットの試験法と実験装置
 ・マイクロ・ドロップレット法による実験評価の事例
 ・おわりに
(2)ピンホール式単糸引抜き法
 ・ピンホール式単糸引抜き法とは
 ・ピンホール法試験機の概要
 ・試験片作成手順、試験手順
  -試験手順
 ・炭素繊維/ポリプロピレン(CF/PP )の引抜き試験結果
 ・CF/PP荷重変位線図による引抜き成分の分離
 ・樹脂・繊維界面の剥離進展機構の解明
 ・樹脂結晶の観察
 ・界面せん断強度の温度依存性
 ・ナイロン6(PA6)の吸湿試験
 ・マイクロコンポジット(CF/PP)による引抜き試験
  -マイクロコンポジット引抜き試験片
  -試験結果
 ・終わりに
(3)フルスケール引張試験片を用いたフラグメンテーション試験と解析法
 ・緒言
 ・破断繊維長分布関数F(l)と評価式?の導出
 ・実験
  -目的
  -供試体
  -試験片の作製
  -フラグメンテーション試験
  -単繊維引張試験
 ・結果
  -単繊維引張試験
  -フラグメンテーション試験
 ・解析
 ・考察
  -破断繊維長のヒストグラムと臨界繊維長
  -界面せん断強度
  -ワイブルプロット
 ・結言
 ・補遺

<4>リサイクル技術
1.リサイクル技術の動向
 ・はじめに
 ・廃棄CFRPのリサイクル手法
 ・CFRPのリサイクル技術開発の動向
2.種々のCFRPに対するリサイクル手法の探索
 ・はじめに
 ・エポキシ樹脂を母材とするCFRPのリサイクル手法
 ・汎用性熱可塑樹脂(ポリアミド6)を母材とするCFRTPのリサイクル手法
 ・耐熱性熱可塑樹脂(ポリエーテルサルフォン)を母材とするCFRTPのリサイクル手法
3.過熱水蒸気を利用したリサイクル炭素繊維回収と繊維表面改質
 ・はじめに
 ・過熱水蒸気とは
 ・過熱水蒸気を利用したCFRPからの炭素繊維回収検討
 ・炭素繊維の強度変動におよぼす過熱水蒸気処理時のPO2の影響
 ・過熱水蒸気処理による炭素繊維の表面改質
 ・省エネ型高品位リサイクル炭素繊維連続回収装置の開発
 ・おわりに
4.リサイクル炭素繊維のCFRPへの展開
 ・はじめに
 ・不連続炭素繊維を用いた高強度・高弾性率CFRPの製造技術
  -絞込み押出しによる不連続炭素繊維配向体の製造技術
  -不連続炭素繊維配向CFRPの機械特性
 ・不連続炭素繊維CFRP製造プロセスへのマイクロ波利用
  -マイクロ波による不連続炭素繊維CFRP加熱に伴う消費エネルギー、機械特性
  -不連続炭素繊維の長さがCFRPのマイクロ波加熱に与える影響
 ・おわりに

<5>成形技術
1.成形技術開発動向
(1)技術コンソーシアム
 ・AZLの概要
 ・AZLの特徴
 ・AZLにみる技術コンソーシアムが機能する要因
  -費用分担という考え方
  -川上から川下までの連携とマーケット検証を含めたビジネスの考慮
  -NDAを締結した後の各社、各研究機関のオープンな議論
  -短中期スパンでのプロジェクト管理
 ・日本における技術コンソーシアムであるICC
 ・ICCの取り組みの特徴
 ・日本における技術コンソーシアムの課題と解決に向けたICCでの取り組み
 ・おわりに
(2)オートメーション化
 ・炭素繊維複合材料を用いた製品の生産工程
 ・裁断のオートメーション化と課題
 ・積層のオートメーション化と課題
 ・成形のオートメーション化と課題
 ・加工のオートメーション化と課題
 ・検査のオートメーション化と課題
 ・おわりに
(3)カスタマイズドプリプレグ
 ・熱可塑性プリプレグの特徴
 ・熱可塑性プリプレグの製造
 ・顧客要望に応じた材料作製概要
 ・カスタマイズドプリプレグ設計に関する議論のポイント
 ・熱可塑性プリプレグ材料から一歩前に行くアプローチ
 ・おわりに
(4)ヒート&クールプレス成形(GMS仕様)
 ・はじめに
 ・GMS(Go Molding System)概要
  -フルH&C成形
  -セミH&C成形
  -コールドプレス(スタンピング成形)
 ・技術の実績
  -軽量化
  -量産化
  -設計
 ・技術の課題
 ・おわりに
(5)ポリマー微粒子による炭素繊維の表面修飾-熱可塑性樹脂含浸性・界面接着性の向上-
 ・炭素繊維強化熱可塑性樹脂(CFRTP)
 ・ポリマー微粒子による炭素繊維束の表面修飾技術の開発
 ・電着操作による炭素繊維表面へのポリマー微粒子吸着量の制御
 ・表面修飾による炭素繊維と熱可塑性樹脂の界面接着性の向上
 ・CFRTPの作製とその曲げ物性の評価
 ・本技術の今後の展望
2.次世代成形技術:連続炭素繊維3Dプリント
 ・はじめに
 ・連続炭素繊維3Dプリンター
  -3Dプリンタ装置概要
  -3Dプリントの流れ
  -連続炭素繊維含浸フィラメント作製
  -炭素繊維切断機構の導入
  -ヒーターブロックとノズル及びフィラメント送り機構の改造
 ・連続炭素繊維3DプリンターによるCFRTP成形物の評価
  -引張試験機及び試験条件
  -試験片作製
  -引張試験結果
 ・おわりに

<6>アプリケーション技術
1.用途展望
 ・はじめに
 ・PAN系炭素繊維を用いた複合材料
 ・ピッチ系炭素繊維を用いた複合材料
 ・C/C、MMC
 ・スマートマテリアル&ストラクチャとしての複合材料
  -複合材料への適用
   ヘルスモニタリング・ヘルスマネジメント
   高性能材料・構造システム
   海洋ドローン
  -複合材料成形プロセスへの応用
 ・おわりに
2.航空機
(1)耐雷撃技術
 ・はじめに
 ・航空機の雷環境
  -航空機の被雷頻度
  -日本における冬季雷の発生状況
  -被雷による航空機への影響
  -航空機開発における雷試験規格
  -雷電流試験
 ・CFRPの雷損傷
  -CFRPの電気的特性
  -CFRP雷損傷のメカニズム
  -CFRPの雷損傷メカニズムに対する様々な物理現象の影響
  -種々の物理現象の影響評価
   光ファイバセンサによる温度・ひずみの計測
   衝撃波の可視化
  -導電率の影響
  -樹脂の力学的、熱的特性の影響
 ・さいごに
(2)ロシアにおける複合材とVaRTM法による旅客機主翼製造
 ・ロシアの炭素繊維複合材産業
 ・ロシアの旅客機・輸送機の開発と複合材
 ・MC-21
 ・MC-21の開発生産体制
  -胴体
  -主翼
  -尾翼
  -最終組立
 ・MC-21の主翼製造
  -MC-21の複合材製主翼の意義
  -アエロコンポジット社
  -アエロコンポジット・ウリヤノフスク社と生産内容
  -MC-21の主翼生産
   概略
   材料
   積層
   バギング
   樹脂注入・硬化
   脱型、トリミング、検査
   組立
 ・まとめ
3.自動車(マルチマテリアル)
 ・自動車を取り巻く環境の変化と自動車(2030年)
 ・自動車構成材料の動向
 ・自動車構成材料の今後(~2030年)
 ・自動車構成材料の今後(2030年)
  -本格的なLCAの追求
  -将来自動車構成材料への取り組み
   低コスト良LCA材料の開発
   マルチマテリアルの必要性
   マルチマテリアルの課題
 ・まとめ
4.熱可塑性複合材料のエコカー(HEV、PHEV、BEV)用途への展開可能性
 ・緒言
 ・炭素繊維複合材料の量産化技術
  -熱可塑性樹脂炭素繊維複合材料の成形加工と用途
  -CFRP UDテープの基本物性
  -CF/PP UDテープを用いた部材設計
  -成形加工CAE・部品デザイン
 ・自動車構造部材への可能性
  -板材(積層材及びサンドウィッチ材)の設計
  -金属/樹脂接合部材の設計
 ・リチウムイオン電池筺体部材への可能性
  -エコカー向けリチウムイオン電池
  -リチウムイオン電池筺体の設計
  -リチウムイオン電池筺体へのCFRP可能性
 ・終わりに
5.建築・土木
 ・はじめに
 ・FRPの適用動向
  -建築分野への利用例
  -土木分野への利用例
 ・成形法及び材料開発
  -建築・土木分野のFRP成形技術
  -建築・土木分野のFRP材料技術
 ・日本が建築・土木分野へ取り組むために
  -熱可塑性FRPと連続成形技術による汎用構造部材
 ・まとめ
6.光ファイバを用いたCFRPヘルスモニタリングとその応用

■監修■
塩谷 正俊
東京工業大学

■著者■
鈴木 慶宜/帝人(株)
岩下 哲雄/産業技術総合研究所
齋藤 拓也/SGLカーボンジャパン(株)
塩谷 正俊/東京工業大学
卜部 啓/産業技術総合研究所
永井 英幹/産業技術総合研究所
藤田 和宏/産業技術総合研究所
杉本 慶喜/産業技術総合研究所
小林 治樹/京都工芸繊維大学
渡辺 博道/産業技術総合研究所
山田 修史/産業技術総合研究所
上田 政人/日本大学
鄭 泰根/元 金沢工業大学
松尾 剛/東京大学
佐藤 友章/三井化学(株)
圖子 博昭/帝人(株)
横関 智弘/東京大学
野村 和宏/ナガセケムテックス(株)
大澤 勇/東京大学
金井 誠/東京大学
入澤 寿平/名古屋大学
和田 匡史/(一財)ファインセラミックスセンター
中村 寿樹/高砂工業(株)
北岡 諭/(一財)ファインセラミックスセンター
島本 太介/産業技術総合研究所
堀田 裕司/産業技術総合研究所
菅原 寿秀/丸八(株)
R&D BUメンバー/丸八(株)
郷 純一/(株)郷製作所
山本 徹也/名古屋大学
松崎 亮介/東京理科大学
平野 義鎭/宇宙航空研究開発機構
渡邊 光太郎/(一社)ロシアNIS貿易会
影山 裕史/金沢工業大学
伊崎 健晴/三井化学(株)
井上 悟郎/三井化学(株)
栗谷川 瑞枝/三井化学(株)
藤原 和俊/三井化学(株)
鵜澤 潔/金沢工業大学
和田 大地/宇宙航空研究開発機構

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