概要
CFRPとは、炭素繊維強化プラスチックで、炭素繊維と主にエポキシ樹脂との複合材料です。この材料の特性として軽量、高強度、高減衰性が挙げられ、この特長を生かして、航空機、自動車、スポーツ用品に多く利用されています。近年は、自動車部品、自動搬送、工作機械などへの需要が増えています。
ただ、複合材料としての利用は、CFRPの正しい知識を持っての取組が重要になります。
種類
炭素繊維の種類は、PAN（ポリアクリロニトリル）系とピッチ系（グラファイト）の２種類があります。製法はそれぞれ全く異なり、機械的性質も様々です。用途によって選定が必要になりますが、多くは高弾性率、減衰性重視であればピッチ系、コストや生産性重視であれば、PAN系が選定されます。次に母材（マトリックス）ですが、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂があります。前者は、繊維との相性が良く含浸性が高い、機械的特性が高い反面、硬化収縮が大きく、リサイクル性が低いというデメリットがあります。後者は、靭性に優れ、リサイクル性が高い反面、強化材との接着率が低いなどデメリットがあります。
用途
スポーツ業界では、自転車フレーム、テニスラケット、ゴルフシャフト、サーフボード、ヨット、スノーボード、釣り竿が代表的です。
自動車、鉄道は、ルーフ、フード、ダッシュボード、バスボディ、車両、ドライブシャフト、プロペラシャフト、天然ガス用タンク、水冷フレームなどが挙げられます。
航空機では、機体、主翼、尾翼、ロケット、衛星に利用されています。
一般産業界、精密機械は、自動搬送プレスライン、工作機械各軸、スピンドルヘッド、スピンドルハウジング、計測アーム、工具にも利用されています。
検討上の課題及び注意点
課題について説明をしていきたいと思います。CFRPの利点は、前述の通りですが、適用を検討するにあたり、事前知識と十分な開発計画が必要になります。基本的に複合材料としての製品になるので、PAN及びピッチ系を複合して利用することが多いです。
まず、炭素繊維ですが、PAN系とピッチ系の中でも弾性率及び引張り強度が様々です。炭素繊維とマトリックス樹脂の含有率も用途によって調整します。例を挙げますと精密工作機械スピンドルのシャフト検討時では、ラジアル、アキシアル剛性及び減衰性、熱膨張を押さえることが目標となりますので、高弾性率、高減衰性のあるピッチ系を内部に使用、また高強度も必要ですので、PAN系を外部に使用します。マトリックスは、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を使用し、材料を成形します。成形時には、残留応力が極力残らないようにします。CFRPを使用できない部位は、鉄を接着したり、ヘリサートを使用したり機械的性質の異なる材料を組み合わせます。この接合方法も設計時に何度もシミュレーションを実施し決めていきます。静的なシミュレーションが第一段階で、次には動的なシミュレーションで変形、熱膨張を検討していきます。
製造で気を付けるところは、いかに均一なテンションでワインディングしていくかとボイド（空胞）に均一性を持たせるかも重要です。
具体的な検討がございましたら、お問い合わせください。