炭素繊維強化プラスチック

2025.10.01

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CFRPPEEK、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CFRPPA、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CFRPPA、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/cm31.45～1.601.45～1.651.45～1.651.30～1.55
引張強さMPa600～2500300～1800250～1400180～900
引張弾性率GPa40～16025～14020～12015～80
曲げ強さMPa700～1800300～1500250～1200180～800
線膨張係数×10-5/K0～2.00～2.50.5～3.01.0～4.0
連続使用温度℃120～180240～260180～22080～150
吸水率%0.1～0.50.1～0.30.02～0.10.5～2.0
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CFRPPEEK系CFRPPPS系CFRPPA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）MPa1/2SP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。
MEK19.0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。
NMP23.0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。

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