概要
| 材料名 | 炭素繊維強化プラスチック |
|---|---|
| 略記号 | CFRP |
| 英語名 | Carbon Fiber Reinforced Plastic |
| 分類 | 繊維強化プラスチック、複合材料、FRP系材料 |
| 構造・主成分 | 炭素繊維とマトリックス樹脂から構成される複合材料 化学式：C（炭素） + 各種樹脂 |
| 主な用途 | 航空宇宙、自動車、産業機械、スポーツ用品、医療機器、ロボット、ドローン、半導体治具 |
炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、高強度・高弾性率を持つ炭素繊維を、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、PEEK、PPS、PA、PCなどのマトリックス樹脂で一体化した複合材料である。
金属材料と比較して軽量でありながら、比強度、比剛性、疲労特性、寸法安定性に優れる。性能は炭素繊維の種類、繊維含有率、繊維配向、積層構成・積層角度、マトリックス樹脂の種類、成形条件に大きく左右され、非常に優れた性能を得られる。
- 炭素繊維：単繊維径は数 µm、繊維はトウ（束）やプレプレグ、編布などで供給される。
- マトリックス樹脂：主にエポキシ樹脂、最近は熱可塑性樹脂（PEEK、PEIなど）も使用。
- 補助材料：剥離防止剤、導電助材、コア材（サンドイッチ構造）など。
特徴
- 鉄やアルミニウムと比較して軽量であり、比強度・比剛性が高い。
- 繊維方向の引張強さと弾性率が非常に高い。
- 積層方向や繊維配向を設計することで、必要方向の強度を高められる（設計自由度が高いが異方性に注意）
- 異方性が大きく、設計時には繊維方向、層間強度、衝撃特性を考慮する必要がある。
- 熱膨張率が低く、寸法安定性に優れる。
- 疲労特性が優れる一方で、低速衝撃や穴あきに弱いことがある
- 炭素繊維に由来する導電性、電磁波シールド性を持つ。
- 耐疲労性、耐クリープ性、耐摩耗性に優れるグレードがある。
- マトリックス樹脂により耐熱性、耐薬品性、成形性、リサイクル性が大きく変わる。
- エポキシ系CFRPは高強度・高剛性で航空宇宙用途に多い。
- 熱可塑性CFRPは短時間成形、溶着、リサイクル性に優れる。
長所
- 高強度・高剛性で軽量（重量当たり強度が高い）
- 設計自由度（積層角や繊維配向で最適化可能）
- 耐腐食性・耐疲労性に優れる場合がある
- 金属より腐食しにくい。
- 電気的・熱的特性の調整が可能
- 軽量で比強度・比剛性が非常に高い。
- 疲労特性、寸法安定性、低熱膨張性に優れる。
- 炭素繊維による導電性、電磁波シールド性を付与できる。
- 繊維配向設計により必要方向の強度を高められる。
短所
- 材料費、製造コストが高い（特に高性能プレプレグ＋オートクレーブ工程）
- 繊維方向と直角方向、層間方向の強度差が大きく、設計・解析が必要
- 衝撃損傷や層間剥離が外観から分かりにくい場合がある
- 衝撃（局所ダメージ）に対し脆弱な場合がある
- 切削加工では工具摩耗、粉じん、層間剥離に注意が必要である
- マトリックス樹脂の耐熱性・耐薬品性が全体性能を制限する
- リサイクル性・廃棄処理が課題（熱可塑性系が改善策）
設計上の注意点
- 荷重方向の解析：繊維方向に性能が偏るため、荷重経路に沿った積層設計が重要。
- プレストレスと締結：ねじ締結部は集中応力で損傷しやすく、インサートやリベット、補強プレートを検討。
- 表面処理：接着や塗装のためのプライマー処理が必要なことが多い。
- 非破壊検査：内部剥離やボイド検出のために超音波検査やX線が推奨される。
成形加工
| 加工方法 | 適正 | 概要 | 主な用途 |
|---|---|---|---|
| オートクレーブ成形 | ◎ | プリプレグを積層し、加圧・加熱して高品質な成形品を得る方法である。 | 航空機、宇宙機器、高性能構造材 |
| プレス成形 | ◎ | シート材やプリプレグを金型で加熱加圧する方法である。 | 自動車部品、筐体、量産部品 |
| RTM成形 | ○ | 繊維基材を金型に配置し、樹脂を注入して硬化させる方法である。 | 大型部品、構造部材 |
| フィラメントワインディング | ○ | 繊維を巻き付けながら樹脂含浸・硬化する方法である。 | 圧力容器、パイプ、ロール |
| 射出成形 | ○ | 短繊維または長繊維入り熱可塑性CFRPペレットを成形する方法である。 | 機構部品、電子部品、量産部品 |
| 切削加工 | △ | 穴あけ、トリミング、外形加工が可能であるが、工具摩耗と層間剥離に注意する。 | 後加工、試作、治具 |
構造式
CFRPは単一の化学構造式で表せる材料ではなく、炭素繊維とマトリックス樹脂からなる複合材料である。
| 構成要素 | 構造・内容 |
|---|---|
| 炭素繊維 | 主成分は炭素であり、黒鉛状の炭素結晶構造を持つ高強度繊維である。 |
| マトリックス樹脂 | ●樹脂種類 (1) 熱硬化性樹脂 (硬化後は再加熱で溶けない) エポキシ樹脂 (主流): 強度、接着性、耐熱性に優れる ビニルエステル樹脂: エポキシの強度とポリエステルの作業性 不飽和ポリエステル樹脂: 安価で成形しやすい フェノール樹脂: 高い耐火性、耐熱性 ポリイミド/シアネートエステル: 非常に高い耐熱性 (2) 熱可塑性樹脂 (再加熱で溶け、再成形可能) ポリアミド/ナイロン: 汎用性、バランスが良い ポリフェニレンスルファイド: 耐熱性、難燃性に優れる ポリエーテルエーテルケトン: 高耐熱、高強度 ポリプロピレン: 軽量で安価 ポリカーボネート: 耐衝撃性 |
| 基本構成 | 炭素繊維 ＋ マトリックス樹脂 → CFRP |
模式的には、下記のように表される。
炭素繊維（C）＋ 樹脂マトリックス → 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）
種類
| 種類の名称 | 主なマトリックス | 特徴 | 主な用途 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 熱硬化性CFRP | エポキシ、フェノール、ビスマレイミド | 高強度、高剛性、寸法安定性が良い | 航空機、自動車、スポーツ用品 | 成形後の再溶融は困難である |
| 熱可塑性CFRP | PEEK、PPS、PA、PC、PEI | 短時間成形、溶着、リサイクル性に優れる | 自動車、電子部品、産業機械 | 高温成形が必要な場合がある |
| 一方向材CFRP | エポキシ、PEEKなど | 繊維方向の強度・剛性が非常に高い | 航空機構造材、補強材 | 異方性が大きい |
| 織物CFRP | エポキシ、PA、PPSなど | 面内方向のバランスが良い | 外装部品、筐体、スポーツ用品 | 意匠性にも優れる |
| 短繊維CFRP | PA、PPS、PC、PEEKなど | 射出成形しやすく量産性が高い | 機構部品、ギア、筐体 | 連続繊維材より強度は低い |
| 長繊維CFRP | PA、PP、PPS、PEEKなど | 短繊維より衝撃性・強度保持性が良い | 自動車構造部品、産業部品 | ペレット、スタンパブルシートなどがある |
代表的な物性値又は機械的性質
下表は代表的な炭素繊維複合材料（エポキシマトリックス、UD積層／繊維方向に沿った値）の概略です。組成や製法によって大きく変動します。
| 項目 | 代表値（目安） | 備考 |
|---|---|---|
| 引張強さ（繊維方向） | 800–3,500 MPa | 炭素繊維種に依存 |
| 引張弾性率（繊維方向） | 70–600 GPa | 高弾性繊維は600 GPa 程度 |
| 密度 | 1.4–1.6 g/cm³ | 鋼（~7.8）よりはるかに軽量 |
| 曲げ強度 | 500–1,200 MPa | 積層や方向で変動 |
| 熱膨張係数（繊維方向） | -1 to +5 ×10⁻⁶ /K | 繊維により負の値を示すことも |
| ガラス転移温度（エポキシ系） | 120–180 ℃ | 高温用途は熱可塑性系を検討 |
| 項目 | 単位 | CFRP エポキシ系 | CFRP PEEK系 | CFRP PPS系 | CFRP PA系 |
|---|---|---|---|---|---|
| 密度 | g/cm3 | 1.45～1.60 | 1.45～1.65 | 1.45～1.65 | 1.30～1.55 |
| 引張強さ | MPa | 600～2500 | 300～1800 | 250～1400 | 180～900 |
| 引張弾性率 | GPa | 40～160 | 25～140 | 20～120 | 15～80 |
| 曲げ強さ | MPa | 700～1800 | 300～1500 | 250～1200 | 180～800 |
| 線膨張係数 | ×10-5/K | 0～2.0 | 0～2.5 | 0.5～3.0 | 1.0～4.0 |
| 連続使用温度 | ℃ | 120～180 | 240～260 | 180～220 | 80～150 |
| 吸水率 | % | 0.1～0.5 | 0.1～0.3 | 0.02～0.1 | 0.5～2.0 |
| 電気特性 | – | 導電性 | 導電性 | 導電性 | 導電性 |
上記は代表値であり、連続繊維、短繊維、繊維含有率、繊維配向、積層構成、測定方向により大きく変動する。
耐薬品性
| 薬品・溶剤 | エポキシ系CFRP | PEEK系CFRP | PPS系CFRP | PA系CFRP | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水 | ○ | ◎ | ◎ | △～○ | PA系は吸水による寸法変化に注意する。 |
| 希酸 | ○ | ◎ | ◎ | △ | マトリックス樹脂の耐酸性に依存する。 |
| アルカリ | △ | ◎ | ◎ | △ | エポキシ系は強アルカリで劣化する場合がある。 |
| アルコール | ○ | ◎ | ◎ | ○ | 短時間接触では良好な場合が多い。 |
| ガソリン・油 | ○ | ◎ | ◎ | ○ | 樹脂グレードにより変動する。 |
| 芳香族炭化水素 | △ | ○～◎ | ○～◎ | △ | トルエン、キシレンでは樹脂の膨潤に注意する。 |
| ケトン類 | △～× | ○ | ○ | △ | アセトン、MEKはエポキシ系やPA系で注意を要する。 |
| 塩素系溶剤 | △～× | ○ | ○ | △～× | ジクロロメタン、クロロホルムなどは注意する。 |
| 強酸化剤 | × | △ | △ | × | 炭素繊維および樹脂の劣化を生じる場合がある。 |
更に詳しくはプラスチックの耐薬品性一覧表を参照
SP値（溶解度パラメータ）
| 項目 | SP値（δ）MPa1/2 | 備考 |
|---|---|---|
| CFRP エポキシ系 | 18.5～21.5 | エポキシ樹脂の極性が反映され、ケトン類、塩素系溶剤、強アルカリに注意する。 |
| CFRP フェノール系 | 20.0～23.0 | 耐熱性、難燃性に優れるが、強酸化剤や強アルカリに注意する。 |
| CFRP PEEK系 | 19.0～21.0 | 耐薬品性が非常に高く、スーパーエンプラ系CFRPとして用いられる。 |
| CFRP PPS系 | 19.0～20.5 | 耐熱性、耐薬品性、寸法安定性に優れる。 |
| CFRP PA系 | 22.0～27.0 | 吸水性があり、アルコール、水、酸、寸法変化に注意する。 |
| CFRP PC系 | 19.0～20.5 | 衝撃性は良いが、アルカリ、ケトン、芳香族溶剤に注意する。 |
| CFRP PEI系 | 22.0～24.0 | 非晶性スーパーエンプラ系で耐熱性が高いが、特定溶剤で応力割れに注意する。 |
SP値から見た耐溶剤性
溶解性の目安
| SP値差 | 評価 | 溶解・膨潤の目安 |
|---|---|---|
| 0～2 | × | 溶解、膨潤、軟化、応力割れを起こしやすい範囲である。 |
| 2～4 | △ | 条件により膨潤、白化、強度低下が生じる可能性がある。 |
| 4～7 | ○ | 短時間接触では使用できる場合が多いが、長時間浸漬では確認が必要である。 |
| 7以上 | ◎ | 一般に溶解・膨潤しにくい範囲である。 |
SP値から見た耐溶剤性
| 薬品・溶剤 | SP値（δ）MPa1/2 | SP値差 | 評価 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 水 | 47.9 | 約27.9 | ◎ | SP値差は大きいが、PA系は吸水に注意する。 |
| メタノール | 29.7 | 約9.7 | ○～◎ | 短時間接触では良好な場合が多い。 |
| エタノール | 26.0 | 約6.0 | ○ | 樹脂マトリックスにより吸湿・膨潤を確認する。 |
| アセトン | 20.3 | 約0.3 | △～× | エポキシ系、PC系、PA系では膨潤・劣化に注意する。 |
| MEK | 19.0 | 約1.0 | △～× | 樹脂マトリックスの軟化、応力割れに注意する。 |
| トルエン | 18.2 | 約1.8 | △ | 芳香族溶剤であり、長時間接触は避ける。 |
| キシレン | 18.0 | 約2.0 | △ | エポキシ系、PC系で膨潤・応力割れに注意する。 |
| ヘキサン | 14.9 | 約5.1 | ○ | 油類に近い非極性溶剤であり、樹脂種により確認する。 |
| ガソリン | 14～16 | 約4～6 | ○ | PEEK系、PPS系は比較的良好である。 |
| ジクロロメタン | 20.2 | 約0.2 | × | 塩素系溶剤であり、多くの樹脂マトリックスで注意が必要である。 |
| NMP | 23.0 | 約3.0 | △～× | 高極性溶剤であり、PEI系、PA系、エポキシ系で注意する。 |
| 濃硫酸 | – | – | × | SP値だけでは判断できず、強酸化・分解性を重視する。 |
上記のSP値差は、CFRPの代表的なマトリックスであるエポキシ系CFRPの中央値 δ＝約20 MPa1/2 を基準として算出している。
評価基準：◎：非常に良好 ○：概ね良好 △：注意が必要 ×：不適
特に注意する溶剤は、アセトン、MEK、ジクロロメタン、クロロホルム、NMP、DMF、濃硫酸、濃硝酸、強アルカリである。CFRPは炭素繊維自体の耐薬品性が高くても、マトリックス樹脂、界面、サイジング剤、積層端面から劣化する場合がある。
溶解性の目安
溶解性の目安
CFRPは炭素繊維と樹脂からなる複合材料であり、通常の溶剤に完全溶解する材料ではない。ただし、マトリックス樹脂が溶剤により膨潤、軟化、クラック、界面剥離を生じることがある。
| 区分 | 溶解性・膨潤性 | 注意点 |
|---|---|---|
| 炭素繊維 | 通常の有機溶剤には溶解しにくい。 | 強酸化剤、高温酸化雰囲気では劣化する。 |
| エポキシ系マトリックス | ケトン、塩素系溶剤、高極性溶剤で膨潤・劣化する場合がある。 | 層間剥離、白化、強度低下に注意する。 |
| PEEK系マトリックス | 多くの溶剤に対して安定である。 | 濃硫酸など強酸化性薬品は避ける。 |
| PPS系マトリックス | 多くの溶剤に対して良好である。 | 高温強酸化環境では注意する。 |
| PA系マトリックス | 吸水、酸、アルコール、高極性溶剤の影響を受けやすい。 | 寸法変化、物性低下に注意する。 |
SP値から見た耐溶剤性
SP値から見ると、CFRPの耐溶剤性は炭素繊維ではなくマトリックス樹脂のSP値に支配される。SP値が近い溶剤ほど、樹脂部の膨潤、軟化、応力割れ、界面剥離が起こりやすい。
PEEK系CFRPやPPS系CFRPは耐溶剤性が高いが、エポキシ系CFRPはケトン類、塩素系溶剤、高極性溶剤、強酸・強アルカリに注意する必要がある。
製法
CFRPは、炭素繊維に樹脂を含浸させ、加熱、加圧、硬化または冷却固化により成形する。
- オートクレーブ成形：高品質だがコスト高。航空宇宙に多用。
- RTM（樹脂トランスファ成形）：金型を用いてドライ織物へ樹脂注入。自動車部品等で採用。
- 真空バッグ／インフュージョン：大型構造物（風力ブレード）に適する。
- 射出成形（短繊維）：量産部品向け、設計は等方寄り。
- 熱成形（熱可塑性プレート）：サイクル短縮・リサイクル性で注目。
基本反応式・形成式
炭素繊維 ＋ マトリックス樹脂 ＋ 加圧・加熱 → CFRP成形品
熱硬化性CFRPでは、エポキシ樹脂などの架橋反応により三次元網目構造を形成する。
エポキシ樹脂 ＋ 硬化剤 ＋ 炭素繊維 → 架橋エポキシ系CFRP
| 工程 | 内容 | 注意点 |
|---|---|---|
| 炭素繊維製造 | PAN系またはピッチ系前駆体を酸化、炭化、黒鉛化して炭素繊維を得る。 | 強度、弾性率、表面処理が性能に影響する。 |
| 表面処理・サイジング | 繊維表面を処理し、樹脂との接着性を高める。 | マトリックス樹脂との相性が重要である。 |
| 樹脂含浸 | プレプレグ：樹脂を含浸済みの炭素繊維シート。熱処理（オートクレーブ）で硬化。 ドライファブリック／トウ：後で樹脂を含浸（RTM等）。大型部品に有利。 短繊維ペレット：射出成形用。ランダム配向で等方的特性に近づく。 熱可塑性シート：短時間で成形可能、リサイクル性が良好。 | ボイド、含浸不良を防ぐ必要がある。 |
| 成形・硬化 | 加熱加圧により所定形状に成形する。 | 硬化条件、圧力、温度管理が重要である。 |
| 後加工 | トリミング、穴あけ、研磨、接着、塗装を行う。 | 層間剥離、粉じん、工具摩耗に注意する。 |
※硬化収縮や残留応力に対する対策（工程設計）が重要。
※気泡（ボイド）や含浸不良は強度低下の大きな原因。
※積層角度と繊維配向の最適化が性能を決定する。
詳細な利用用途
| 分野 | 用途例 | 採用理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 主翼、胴体、尾翼、内装部材、衛星構造材 | 軽量、高強度、高剛性、疲労特性 |
| 自動車 | ルーフ、ボンネット、シャシー部材、補強材、電池ケース | 軽量化、剛性向上、衝突安全性 |
| 産業機械 | ロボットアーム、搬送部材、ロール、治具 | 低慣性、高剛性、寸法安定性 |
| スポーツ用品 | ゴルフシャフト、釣竿、自転車フレーム、ラケット | 軽量、反発性、振動特性 |
| 医療・福祉 | 義足、車椅子部材、医療機器フレーム | 軽量、高剛性、設計自由度 |
| 電子・半導体 | 搬送治具、筐体、ESD対策部品 | 導電性、寸法安定性、軽量性 |
| 土木・建築 | 補強シート、補強ロッド、橋梁補修材 | 耐腐食性、軽量、高強度 |
リサイクルと環境配慮
従来の熱硬化性CFRPはリサイクルが難しいが、近年は以下のようなアプローチがある：
- 熱分解による繊維回収（品質低下の課題あり）
- 機械的リサイクル（粉砕し充填材や短繊維複合材として利用）
- 熱可塑性マトリックスの採用による再加工・溶融リサイクル
- ライフサイクルアセスメント（LCA）で製造工程の最適化・低炭素化を図る
よくある質問（FAQ）
Q. CFRPは金属よりも錆びますか？
A. 炭素繊維自体は腐食しませんが、導電性があるため金属との接触で局所腐食（ガルバニック腐食）が発生する場合があります。金属接合部は絶縁対策が必要です。
Q. 修理は可能ですか？
A. 損傷の種類により局所補修（パッチや樹脂注入）で修理可能ですが、重大な構造損傷は交換が推奨されます。非破壊検査で損傷範囲を正確に把握することが重要です。
Q. 高温環境での使用は？
A. エポキシ系は Tg（ガラス転移温度）を越えると機械特性が低下します。高温用途では高 Tg の樹脂や熱可塑性マトリックスを選定します。
関連材料との比較
| 比較材料 | 特徴 | 長所 | 短所 | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|
| CFRP | 炭素繊維を用いた高性能FRPである。 | 比強度、比剛性、寸法安定性が非常に高い。 | 高価で異方性が大きい。 | 航空宇宙、自動車、スポーツ用品 |
| GFRP | ガラス繊維強化プラスチックである。 | 安価で絶縁性、耐食性が良い。 | CFRPより比剛性、比強度は低い。 | タンク、配管、建材、船舶 |
| PEEK | 高耐熱・高耐薬品性のスーパーエンプラである。 | 耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性が高い。 | 高価で高温成形が必要である。 | 半導体、医療、摺動部品 |
| PPS | 耐熱性、耐薬品性に優れる結晶性スーパーエンプラである。 | 寸法安定性、難燃性、耐薬品性が良い。 | 靭性や衝撃性に注意する。 | 電装部品、ポンプ部品、機構部品 |
| PA | ナイロン系樹脂であり、機械強度と耐摩耗性が良い。 | 成形性、耐摩耗性、コストバランスが良い。 | 吸水による寸法変化がある。 | ギア、軸受、機構部品 |
| アルミニウム | 軽量金属材料である。 | 加工性、熱伝導性、リサイクル性が良い。 | CFRPより比剛性が低い場合がある。 | 構造材、筐体、機械部品 |
| 鋼材 | 代表的な金属構造材料である。 | 強度、靭性、コストに優れる。 | 重く、腐食対策が必要である。 | 構造材、機械部品、建築 |
代表的なメーカー
| メーカー | 主な製品・特徴 | 備考 |
|---|---|---|
| 東レ | TORAYCA、炭素繊維、プリプレグ、熱可塑性CFRP | 航空宇宙、自動車、産業用途で実績が多い。 |
| 三菱ケミカルグループ | 炭素繊維、プリプレグ、CFRP成形品、DIALEAD系材料 | 高弾性率系、成形品、複合材料事業を展開する。 |
| 帝人 | 炭素繊維、熱可塑性複合材料、CFRP中間材 | 自動車、航空機、産業用途に展開する。 |
| Hexcel | 炭素繊維、プリプレグ、ハニカム、航空宇宙複合材料 | 航空宇宙向けCFRP材料で代表的である。 |
| Solvay | 高性能樹脂、プリプレグ、熱可塑性複合材料 | PEEK、PEKK、PPSUなどの高性能樹脂系複合材料を扱う。 |
| SGL Carbon | 炭素繊維、CFRP部材、黒鉛・炭素材料 | 自動車、産業、エネルギー分野に展開する。 |
| Formosa Plastics | 炭素繊維、複合材料 | 汎用から産業用途まで展開する。 |