何がそんなに特別なのか 自動車軽量化における炭素繊維材料?

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）は、強化材としての炭素繊維とマトリックス材としての樹脂から構成される。初期の炭素繊維複合材料は主に軍事分野で使用されていた。

炭素繊維複合材料は、材料性能の向上、成形プロセスの改善、価格コストの低下に伴い、一般産業やスポーツ・レジャー分野での利用が拡大している。世界的な省エネ・環境保護の流れに後押しされ、自動車の燃費がますます注目されています。軽量設計は自動車の省エネと排出ガス削減の有効な手段となっており、炭素繊維複合材料の材料性能と開発動向は自動車産業の開発ニーズと一致している。

炭素繊維複合材料は鋼鉄より50%、アルミニウムより30%軽い。軽量化効果は明らかである。そのため、多くの自動車メーカーが、自動車の製造や改造の過程で、極限まで軽量化を追求するために、炭素繊維複合材を大量に使おうとし始めている。新エネルギー自動車の発展とともに、炭素繊維複合材料は自動車にますます広く使われるようになるだろう。

炭素繊維複合部品の特徴

1.軽量・高強度

自動車によく使われる炭素繊維強化樹脂系複合材料の密度は1.5～2.0g/cm3で、通常の炭素鋼の1/4～1/5に過ぎず、アルミニウム合金より約1/3軽い。また、炭素繊維複合材料の機械的特性は金属材料よりも優れている。引張強度は鋼鉄の3～4倍、剛性は鋼鉄の2～3倍、耐疲労性は鋼鉄の2倍、重量は鋼鉄の3～4倍、熱膨張係数は4～5倍小さい。

比強度で計算すると、炭素繊維複合材料は炭素鋼を大きく上回り、一部の特殊合金鋼を上回ることができるため、比強度が高くなる。炭素繊維材料を使用することで、電力需要を減らしながら車体を軽量化することができ、さらに小型の駆動エンジンとサスペンション装置を使用し、運動エネルギーを減らすことで衝撃リスクを減らすことができる。このスパイラルの結果、車体の重量はさらに軽減される。したがって、オリジナルのスチール製部品をカーボンファイバー製部品に置き換えることは、大きな軽量化効果がある。

2.優れたデザイン性

炭素繊維複合材料は非常に強い設計性を持っており、異なる応用要求に応じて柔軟に設計することができる。製品構造の応力に応じて、繊維の構造と配置を調整し、異方性と異なる厚さの製品を作ることができ、サンドイッチ構造を適用して部品の全体的な剛性を向上させ、最良の軽量設計を達成することができます。

力の方向に従って炭素繊維を配置することで、複合材料の強度の異方性を十分に発揮させることができ、それによって材料を節約し、重量を減らすことができる。金属材料はその等方性により、最大力方向の技術的要件を満たした後、他の方向の強度が過剰になるという問題が生じる。

耐食性が要求される製品では、設計時に耐食性に優れたマトリックス樹脂や補強材を選択することができ、誘電特性や耐熱性などの他の性能要件は、適切な原材料を選択することで満たすことができる。さらに、製品のコストを許容できるものにするために、異なる繊維を混合撚りするなどの代替に低コストの材料を適切に選択することができ、部品の性能指標を満たしながら材料コストを節約することができる。

3.コンポーネントの統合

省エネの観点からは、美観を考慮しつつ空気抵抗の少ない設計が求められる。プレス加工では、工程の都合上、鋼板の形状や構造が制限されることが多い。しかし、複合材料は成形時の流動性を利用して様々な曲面を作ることができるため、一体成形効果が得られ、空力デザインや美観の要求に応えることができる。

モジュール化と一体化も自動車構造の発展傾向である。炭素繊維複合材料は、合理的な金型設計により、厚みの異なるすべての部品、突起、リブ、エッジなどを一体成形することができる。したがって、複合材料は、鋼板では製造が難しく、生産効率が低く、精度の確保が難しい自動車部品の製造に適している。

例えば、ロータスのスポーツカーは、車体全体の目標としてカーボンファイバー素材を使用し、車体パーツを軽量化し一体化することで、車体の重量を減らすだけでなく、パーツの剛性と強度を大幅に向上させ、車体全体の性能を向上させている。

4. 耐衝撃性

炭素繊維複合材料は耐衝撃性にも優れている。ポリマーをベースとした炭素繊維複合材料は、一定の粘弾性機械的特性を持ち、一定の衝撃エネルギーを吸収することができる。

さらに、マトリックス材と繊維の界面にはマイクロクラックや局所的な剥離があり、炭素繊維とマトリックスの間には局所的なわずかな相対運動があり、摩擦がある。

粘弾性と界面摩擦の影響により、振動減衰係数が大きいため、車両が衝撃を受けた際、大きな衝撃エネルギーを吸収することができ、人体の安全性向上に役立つ。

5.良好な耐食性

自動車の多くの部品は、エンジンオイル、ガソリン、自動車トランスミッション液などの化学薬品や、高温、厳寒、塩水噴霧などの過酷な環境によって腐食される。従来の金属材料では、さまざまな環境下で品質の安定性と耐用年数を確保することは困難でした。

しかし、炭素繊維複合材製品は一般的に錆や腐食の問題はない。ポリマー系複合材料は耐酸性、耐海水性に優れ、アルカリ、塩分、有機溶剤にも耐えることができる。そのため、耐食性に優れた材料であり、これを使用した自動車部品は耐用年数が長く、メンテナンスコストが極めて低い。

6.炭素繊維/熱可塑性プラスチック複合材料

炭素繊維強化樹脂複合材料に使用されるマトリックス樹脂は、主に熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の2種類に分けられる。熱硬化性樹脂は、反応性の低分子量プレポリマーまたは活性基を有する高分子量ポリマーから構成され、成形工程中に硬化剤または熱の作用により架橋・重縮合し、可溶性・不溶性の架橋構造を形成する。複合材料によく使われるのは、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂などである。

熱可塑性樹脂は直鎖状の高分子量ポリマーで構成され、一定の条件下で溶融・溶解し、物理的変化のみを起こす。よく使われるのは、ポリエチレン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトンなどである。炭素繊維強化樹脂ベース複合材料では、炭素繊維は補強の役割を果たし、樹脂マトリックスは複合材料を外力に耐える全体として成形し、界面を介して炭素繊維に荷重を伝達する。そのため、炭素繊維複合材料の技術性能、成形工程、製品価格に直接影響を与え、炭素繊維の複合化方法も複合材料の性能に影響を与える。

7.炭素繊維強化ナイロン6複合材料

ショートカット炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料（SCFRTP）は、エンジニアリング材料の重要な構成要素である。この種の複合材料は通常、良好な機械的特性を有し、経済的にも有利であり、ホットプレス、押出成形、射出成形によって様々な形状の製品に製造することができる。ナイロン6は、幅広い用途を持つ熱可塑性樹脂材料であり、フィラー強化改質は、ナイロン6複合材料の性能を向上させるための一般的かつ効果的な改質方法である。

炭素繊維強化ナイロン6複合材料(PA6/CF)の研究は近年注目されている。PA6/CF複合材料の性能は、加工方法と工程、複合材料中の炭素繊維の含有量と長さ、炭素繊維の分散と配向、炭素繊維とPA6の界面構造、ナイロン6と炭素繊維自体の特性など、多くの要因に影響される。

しかし、熱可塑性プラスチック複合材料の機械的特性は、主にポリマーマトリックスの微細構造と繊維とマトリックスの界面特性に依存するため、複合材料の微細構造とマクロ特性を比較・解析することが特に重要である。

さらに、PA6は半結晶性ポリマー複合材料であり、PA6/CFの機械的特性はPA6マトリックスの結晶構造と形態に依存し、ひいては複合材料の加工技術に依存する。PA6/CF複合材料の微細形態や構造とマクロな性能との系統的な関連性に関する報告はほとんどない。

8.炭素繊維強化ポリプロピレン複合材料

炭素繊維はポリプロピレンの弾性率を向上させるが、材料の引張強さ、衝撃強さ、破断伸びを低下させる。炭素繊維はポリプロピレンに対してある種の不均一な核生成効果を有し、ポリプロピレンマトリックスの非等温結晶化ピーク温度と結晶化度を向上させ、PPマトリックス中のβ晶の形成を促進する。等温結晶化過程では、ポリプロピレンは炭素繊維部分の端で核生成し結晶化しやすい。

EPDM-g-MAHとSEBS-g-MAHはPPマトリックス中で良好な分散性を有し、PPの衝撃強度と破断伸度を著しく向上させる。EPDM-g-MAHとSEBS-g-MAHを用いたPP/CF複合材料は、より高い衝撃強度と弾性率を有する。

PP/CF複合材料に強靭化剤を添加すると、核形成能が低下し、マトリックスポリプロピレンの結晶成長速度が遅くなる。強靭化剤はPP/CF複合材料の結晶形態を変化させない。強靭化剤を添加したPP/CFコンポジット材料における炭素繊維の核形成効果は明らかであり、コンポジット材料中の球晶は主に炭素繊維の近傍で成長する。