炭素繊維複合材料の8つの応用分野と技術的進歩

炭素繊維は非常に重要な無機高機能繊維で、最初に市場に出た用途は、1972年に市販された炭素繊維強化樹脂製の釣竿である。 その後、炭素繊維の用途は、航空宇宙材料に代表されるように、急速に高級化した。

炭素繊維の最も重要な用途は、樹脂材料の強化材として、総合性能に優れた炭素繊維強化樹脂（CFRP）が、ミサイル、宇宙プラットフォームやロケット、航空機、新型船舶、鉄道車両、電気自動車、トラック、風力タービンブレード、燃料電池、電力ケーブル、圧力容器、ウラン濃縮用超高速遠心機、特殊管、公共インフラなどに使用されていることである。 医療機器や産業機器、スポーツ・レジャー用品、ファッション性の高い生活家電など、16の分野で実用化・普及が進んでいます。

炭素繊維は現代の航空宇宙産業の材料基盤であり、代替不可能なものです。CFRPはミサイル兵器、宇宙プラットフォーム、ロケットなどの航空宇宙用途に広く使用されています。 ミサイル兵器用途では、爆弾フェアリング、複合支持体、計器ポッド、デコイポッド、発射管などの一次および二次耐荷重構造部品の製造に主に使用されます。宇宙プラットフォーム用途では、CFRPは低い構造変形、優れた耐荷重性、耐放射線、耐老化性および宇宙環境に対する優れた耐性を確保し、耐荷重チューブ、ハニカム・パネル、基板、カメラミラー管およびロケット発射管の製造に主に使用されています。 ロケットの用途では、アローフェアリング、計器ポッド、シェル、段間部、エンジンスロートライナー、ノズルなどの部品に主にCFRPが使用されています。 現在、宇宙機へのCFRPの応用はますます成熟してきており、宇宙機の軽量化、小型化、高性能化を実現するために不可欠な基幹材料となっています。

航空機用構造材料としてのCFRP

大型航空機では、CFRPが主要構造材として広く使用されています。 また、最近の新型飛行船の開発では、CFRPが構造材として使用されています。

航空機の構造に炭素繊維が使われるようになったのは、1970年代半ばのオイルショックが直接的な原因である。 エネルギー危機を緩和するために、アメリカ政府は「航空機のエネルギー効率化プログラム」を開始した。 現代の航空機の機体は、鉄やアルミニウム、チタンなどの金属や複合材でできている。 航空機の設計・製造技術において、燃料節約や運航効率向上のための機体質量削減は中心的な課題の一つとなっています。 航空機の胴体製造においてCFRPの適用が実証されており、航空機の胴体の質量を減らすのに有効な手段となっています。 例えば、金属を主材料としたボーイング767型機の胴体質量（CFRP使用量わずか3％）は60tでしたが、CFRP使用量を50％にすることで48tになり、これだけでもエネルギー効率と環境効率が大幅に改善されます。

ボーイング777Xと最新のボーイング787は、ともに胴体の複合化率50％を達成しています。 ボーイング777Xは、ボーイング777をベースに開発中の大型双発旅客機で、2020年に初号機の就航が予定されています。 主翼にCFRPを採用したボーイング777Xの翼幅は約72mで、現在運航されている旅客機の中で最も長い翼幅の航空機の一つとなっています。 翼幅が長いほど揚力が大きくなり、その結果、ボーイング777Xは座席あたりの燃費と運航コストが非常に競争力のあるものとなっています。 また、CFRP製の主翼は強度と柔軟性に優れているだけでなく、先端を折りたたむことができるため、多くの空港ではその広い翼幅を生かして駐車場に収容することが可能です。 ボーイング787の主翼や胴体などの主要な耐荷重構造物には、日本の東レの炭素繊維プリプレグが使用されています。2005年11月、東レはボーイング社と10年間の契約を締結し、ボーイング787ドリームライナー向けに炭素繊維プリプレグを供給しました。2015年11月9日には、ボーイング社と包括契約を結び、ボーイング社製 カーボンファイバー・プリプレグを使用した787と777Xの航空機の生産を開始しました。 ボーイング社は、787型機の月産台数を2015年の10機から2016年に12機、2020年に14機に増やす計画で、大型モジュールの比率も高めるため、CFRPの需要を大幅に押し上げることになります。 ボーイング787型機の月産12機以降の材料供給を確保するため、東レ・コンポジット（米国）は2016年1月に増産を完了、同時に東レ・ジャパンはスパルタンバーグ郡工場に生糸、炭素繊維、プリプレグの一貫生産ライン（設計能力2,000t/年）を建設することを決定、東レが米国で炭素繊維一貫生産ラインを建設するのは初めてとなる ボーイング777X型機の開発およびボーイング787型機の月産14機分の需要に対応するために使用するため。

2016年8月17日、英国で開発された大型飛行船が処女航海を終えました。 飛行船は、偵察、監視、通信、貨物や救助物資の輸送、旅客輸送などを目的とした軽量な空飛ぶ宇宙船である。 飛行船は日本クラレ製のポリアリレン系繊維で覆われ、その中に加圧したヘリウムを充填し、構造体の形状はCFRP製で自身の質量を最小限に抑えています。 飛行船は一度に最大5日間、無人で浮遊することができます。

CFRPは、船舶の構造、エネルギー消費、操縦性の向上に大きな影響を与える。

2000年6月に進水したスウェーデン海軍のフリゲート艦は、世界で初めてCFRPを船体構造に採用した艦艇です。 全長73.0m、全幅10.4m、喫水2.4m、排水量600tで、船体には高強度、高剛性、低質量、耐衝撃、低レーダー・磁界信号、電磁波吸収などの優れた特性を持つCFRPサンドイッチ構造が採用されています。

2010年には、ドイツのコクムス社が、ほぼCFRPでできた新しいコンセプトのソーラー探検船を製作しました。 全長31.0m、全幅15.0mのソーラー電力船は、世界一周を目指すスウェーデンの探検家たちによって、2010年9月27日に海に投入された。

また、CFRPは、海軍のプロペラ翼、統合マスト、先進水上艦の上部構造の製造に使用されています。

低騒音・静粛性は軍用艦艇の分野ではコア技術であり、船舶（特に潜水艦）の性能の重要な指標となる。 CFRP製ブレードは、軽量化、薄型化だけでなく、バキューム性能の向上、振動や水中特性の低減、燃費の低減など、様々な効果が期待できます。

潜水艦や貨物船の推進装置用プロペラブレードにCFRPが使用されている（aはイスラエルの潜水艦に使用されているプロペラ、bは大型貨物船用のCFRPプロペラ）。

また、ステルス性は軍艦の高度化レベルを評価する上で重要な指標となる。 ステルス性能を向上させるためには、船体のレーダー反射断面積を小さくし、光学特性を低下させる必要があります。 1995年、アメリカ陸軍は、電波を反射し、耐候性、耐塩水噴霧性に優れた複合材料でできたワンピースマスト・システムに、平面または球面アレイの各種アンテナを組み込む研究を開始した。 風雨や塩水噴霧から守ることができます。 そしてさらに、アメリカ海軍の次世代戦闘艦の上部構造物全体が複合材料で作られています。

船型、電気駆動、指揮統制、情報通信、ステルス防御、探知・航行、火力構成などにおいて優れた性能を持ち、現在最も進んだ海軍の艦船技術を統合したアメリカ海軍の次世代主力戦闘艦である。 特に注目すべきは、米国レイセオン社が設計・製造した本船の上部構造および内蔵アンテナシステムで、軽量・高強度・耐錆性・波浪透過性に優れたモジュール式複合構造を採用し、優れたステルス性能で探知確率を10%未満に抑えています。

軽量化は、列車の運行におけるエネルギー消費量を削減するための重要な技術である。 金属製のレールトレインは強度が高い反面、質量やエネルギー消費量が大きい。

CFRPは、新世代の高速鉄道車体材料選定の焦点であり、鉄道車体を軽量化するだけでなく、高速運行性能の向上、エネルギー消費の削減、環境汚染の低減、安全性の向上を実現することができます。 現在、鉄道車両分野でのCFRPの適用動向は、ボックス内装、車載機器などの非負荷構造部品から車体、フレームなどの負荷構造部品に拡大し、スカート、デフレクタなどの部品からトップカバー、運転室、車体全体などの大型構造の開発、金属と複合材料の混合構造が主で、CFRP投与量が大きく増加しています。

地下鉄車内における各部の質量比は、車体質量が約36％、車載機器が約29％、室内装飾が約16％であり、このうち車体質量が約36％、車載機器が約29％、室内装飾が約16％である。 2000年には、フランス国鉄が炭素繊維複合材を使って2階建てTGVトレーラーを開発し、これをもとに韓国鉄道科学院が、ステンレス鋼で強化した骨格、側壁、そして、走行速度180km/hのTTX型振子車体を開発しました。 アルミハニカムサンドイッチとCFRPスキンからなるサンドイッチ構造で、車体総質量はアルミ合金構造より40％低減し、強度、疲労強度、火災安全性、動特性などの面で良好な性能を示し、2010年に商業運転が開始されました。

2011年に韓国鉄道研究院（KRRI）が開発したCFRP製地下台車枠は、質量が635kgと鋼製台車枠に比べ約30％軽量化されています。 2014年9月、川崎重工業（神奈川県川崎市）は、金属製ビームと比較して約40％の質量低減を実現したCFRP製フレームサイドビームを開発しました。

材料システム研究所の自動車の軽量化・生産コスト削減のための材料に関する研究により、自動車の質量を10％削減するごとに、燃費を6％削減できることがわかりました。 その中で、CFRPは最も軽量化効果の高い材料であり、自動車設計や複合技術の急速な発展と相まって、このような材料が使用されています。 これらのことから、CFRPの自動車製造への応用は、予想をはるかに上回るスピードで進んでいます。

2008年、ミュンヘンで都市交通の技術革新を目的とした会議が開かれ、「これまでのことを忘れ、すべてを見直す」ことを唯一の任務とするシンクタンク「プロジェクトi」が設立された。 2009年、シンクタンクは、新しいレベルのエネルギー効率を達成するために、ボディと駆動システムを特別に設計することを求める新しい省エネコンセプト「Effective Power Vision」を開発し、その後の研究の基礎としました。 2011年には、電気エネルギーを日常的に利用できるようにする「Born Electric」を設立、同年には初の電気自動車コンセプトカーの技術デモンストレーションを行い、2012年には高いエネルギー効率と強化されたスポーツカー性能を兼ね備えたコンセプトカーを発表しました。 CFRP、アルミニウム、チタンなどの軽量素材の導入により画期的な軽量化を実現し、同年、ゼロエミッションを可能にする新しい電気駆動システムを導入しました。 総質量はわずか1,245kg、1回の充電での航続距離は200km、加速時間は100kmあたり7.3秒と独特の俊敏性を持って発売されました。

ライフモジュールとドライブモジュールで構成されるモジュラーボディアーキテクチャ「LifeDrive」を用いて設計されています。 ライフモジュールとも呼ばれる乗員室モジュールは、ドライバーと乗員のための空間を形成し、CFRP製で、軽量で非常に安全性が高く、広々とした均質な乗り心地を実現しています。 シャシードライブモジュール（別名eDriveドライブシステム）は、アルミニウム合金製の構造で、電気モーター（最大出力125kW、最大トルク250N・m）、バッテリー、燃料エンジンなどのパワーコンポーネントを統合しています。

同社は、SGL Carbon Fibre Materials for Automotiveとの提携により、10年以上にわたる研究開発を経て、炭素繊維の必要量を自社で生産するようになりました。 その新しいミッドビークルライフモジュールの製造工程は、炭素繊維を織物にし、特殊な樹脂を浸透させてプリプレグを作り、プリプレグを熱硬化させて硬いボディ部品を作り、そのボディ部品を完全自動化して専用開発技術で接着して完成したボディ部品を作るというものです。 その結果、CFRPボディは非常に高い圧縮強度を持ち、より速い加速に耐えることができるため、優れた俊敏性とロードフィールを実現することができました。

CFRPボディ製造工程

新コンセプトの貨物トラックの車体構造としてCFRPを採用

世界の巨大小売企業であるウォルマートは、米国内に約6,000台のトラックを保有し、全米の数千の店舗に商品を配送しています。 継続的な実行力と効率性を維持するために、「走行距離を減らし、より多く移動する」ことを目指し、ドライバーのスキル、先進のトラクタートレーラー、プロセスとシステム計画の改善に頼って、2007年から2015年の間に480万キロメートル以上の走行距離と8億個以上のコンテナ配送を達成しました。 輸送効率は2005年比で84.2％向上しました。

ウォルマートは、「より多く引っ張り、より少なく走る」という目標を達成するためには、トラクタートレーラーの性能が重要であるとして、「Advanced Vehicle Experience」という新しいコンセプトのトラック研究プログラムに多額の投資を行っています。 新型コンセプトトラックは、エアロダイナミクス、マイクロタービンハイブリッド駆動システム、電動化、先進制御システム、CFRPボディなどの最先端技術を統合して開発されています。 主な技術革新：エレガントな全体スタイリングと現行の386トラックより20％向上した空力性能の先進的なデザイン、クリーンで効率的かつ低燃費のマイクロタービンハイブリッド電気駆動システム、180度の視界を持つ運転席中央のデザイン、レンジと性能データをカスタマイズできる電子計器パネル、安全性とセキュリティ性を高めるスライドドアとフォールディングステップ、CFRPボディによる広い運転室、などです。 広々とした運転室には、折りたたみ式のベッドを備えた格納式ベッドルームを採用。 トラクタトレーラのボディ全体はCFRP製で、天面と側壁に長さ16.2mのモノリシックパネルを採用し、その優れた機械特性により構造強度を確保、高度な接着剤によりリベットの数を最小限に抑え、凸型ノーズ形状により貨物容量を確保しつつ空力性能を向上、薄型LED照明によりエネルギー効率と耐久性を向上させました。 耐久性があります。

現在、プログラムは84％完了していますが、まだ多くの革新的な技術が開発されています。 ウォルマートの新しいコンセプトトラックは、トラック技術の発展と炭素繊維の利用拡大に大いに役立つと予見されます。

風力発電は最もコスト競争力のある再生可能エネルギーであり、この10年で風力発電量は飛躍的に伸びている。

風力発電機の風力エネルギー変換効率を向上させるためには、単位容量を大きくし、1kWあたりの質量を小さくすることが重要である。1990年代前半、単位容量は500kWに過ぎなかったが、現在では10MWの洋上風力発電機が商業化されるようになった。 風力発電機のブレードは、風力エネルギーを効率的に取り込むための重要な部品であり、風力発電機の容量が大きくなるほどブレードの長さも長くなります。 トップスピン理論では、大きな発電量を得るためには、風車のブレードを大きくする必要があるとされています。 10MW以上の風力発電機の必要性については、ブレードの長さの関係で業界内でも議論がありますが、開発する必要があるとの見方が主流です。 面積と体積の関係という科学的法則から、最終的には羽根車の直径を大きくすることが限界となるが、まだ限界には達しておらず、10MWの風車を作ることは技術的に可能である。また、運転効率の面では、MWhあたりの運転コストを下げるために、風車の容量を大きくする必要がある。

ブレード径の成長過程

インペラの大口径化に伴い、翼の品質や引張強度はより軽く、より高く要求され、ガラス繊維複合材料（GFRP）の性能不足を補えるCFRPは、大型翼の製造に欠かせない材料となっています。 しかし、長い間、コスト面から、ブレード製造におけるCFRPは、ビームキャップ、リーフルート、リーフチップ、スキンなどのキーパーツにしか使用されていませんでした。 近年、炭素繊維の価格は着実に低下し、ブレードの長さがさらに長くなることと相まって、CFRPの適用部位は増加し、投与量もより大きな推進力を持っています。 GFRP設計を採用した場合、ブレードの質量は約36tになります。

燃料電池の電極ガス拡散材としての炭素繊維紙

燃料電池は、燃焼させることなく化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置です。 燃料電池は、等温下で電気化学反応により、燃料と酸化剤に蓄えられた化学エネルギーを直接電気に変換するため、変換効率が非常に高く（10%の廃熱を除き、残りの90%を熱と電気に変換）、環境にやさしいクリーンエネルギー技術として高く評価されています。 一方、石炭、天然ガス、石油などの化石燃料を使って発電した場合、エネルギーの60％が廃熱として無駄になり、送配電の過程で7％が無駄になるため、電気機器で使える電気は約33％しかない。

燃料電池と化石燃料発電の利用比較

さまざまな燃料電池の中でも、プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）は、出力密度が高く、エネルギー変換率が高く、低温始動性が良く、小型で携帯性に優れていることから、自動車用の電源として最適です。 PEMFCは、正極、電解質、負極の3つの主要部品から構成され、以下の原理で動作する。

(1) 陰極が液体水素分子をイオン化する。 液体水素が陰極に流れ込むと、陰極の触媒層が液体水素分子を陽子（水素イオン）と電子にイオン化する。

(2) 水素イオンは電解質を通過する。 中央部にある電解質は、プロトンを通過させて陽極に到達させる。

(3)電子が外部回路を通過する。 電子は電解質を通過できず、外部回路を通過するのみであるため、電流が形成される。

(4) 陽極が液体酸素をイオン化する。 液体酸素が陽極を通過するとき、陽極の触媒層は液体酸素分子を酸素イオンと電子にイオン化し、水素イオンと結合して純水と熱を生成する。陽極はイオン化によって生じた電子を受け取る。 複数の固体高分子形燃料電池を連結して燃料電池バンクとすることで、電気出力を高めることができます。

燃料電池の動作メカニズム

United Technologies Corporationは、民間および軍事用途の燃料電池製品技術における世界的な企業です。 もともと宇宙船、潜水艦、建設、バス、自動車などに使われる幅広い製品を扱う事業部門であったユナイテッド・テクノロジー・パワー社は、1990年代初頭に大型の定置用燃料電池発電所を建設し、商業化した。 以来、10年以上にわたってバスや国産車向けの燃料電池の技術開発を進めてきた。

2008年以降、コストや寿命といった技術的なボトルネックを克服し、燃料電池の実用化に大きな進展があった。 バラード・パワー社が開発・製造する燃料電池「FCveloCity®」は、バスやライトレール専用に開発された第7世代の拡張性のあるモジュール型燃料電池で、30～200kWの発電に使用できます。2015年6月に発売した85kWクラスの「FCveloCity®」は、主に電気バスに使用される燃料電池です。

85kWクラスの燃料電池「FCveloCity®」を搭載

モジュール型燃料電池の応用例

炭素繊維紙は、高性能な複合材料として、燃料電池のプロトン交換膜電極のガス拡散層製造に不可欠な多孔質拡散材料です。 ガス拡散層（GDL）は、フロータンクから触媒層までガスが拡散する流路を形成し、燃料電池の心臓部である。 膜電極接合体（MEA）の支持体として非常に重要で、主な機能は膜電極接合体と黒鉛板との間の橋渡しとして機能することである。 ガス拡散層は、触媒層外で発生する副産物である水をできるだけ早く流し、水の蓄積によるオーバーフローを防ぐとともに、膜表面に一定量の水を維持して導電性を確保し、燃料電池運転時の熱伝達を維持し、さらに吸水膨張時に膜電極のセットを維持するために十分な機械強度を提供するものであります 構造的な安定性。

燃料電池用炭素繊維紙、炭素繊維布、炭素繊維シート

プロトン交換膜型燃料電池とダイレクトメタノール型燃料電池のいずれにおいても、ガス拡散層として炭素繊維紙と炭素繊維布の両方を使用した方が、複合的な効果が得られます。 燃料電池電気自動車1台あたり、約100m2（＝8kg）の炭素繊維紙が消費されます。

アルストム フランスは、最新の開発品である世界初の液体水素燃料電池電気鉄道を発表しました。 この車両はアルストムの地域鉄道に属するもので、今回発表された液体水素燃料電池電気鉄道は、屋根に水素燃料電池、客室底部にリチウム電池、コンバーター、電気モーターを搭載し、すべて成熟した技術で開発されたものである。

出典：複合材料、先端材料

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