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 トップページテクの雑学 > 第184回 日本メーカーが誇る世界トップクラスの技術 〜飛行機も炭素繊維強化樹脂で軽量化〜
テクの雑学

第184回 日本メーカーが誇る世界トップクラスの技術 
〜飛行機も炭素繊維強化樹脂で軽量化〜

 ボーイング社の最新鋭中型ジェット旅客機「ボーイング787ドリームライナー(以下、B787と略)」の就航が始まっています。B787は、比較的小規模な空港でも離着陸が可能という中型機の利点はそのままに、長い航続距離を実現したことが最大の特徴です。これによって路線の設定自由度が高まり、また、長距離飛行時の運行経費削減にもつながるなど、多くのメリットが見込まれています。


ボーイング社によるB787の特徴
 B787が航続距離を伸ばせた最大の理由は、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)を積極的に採用して機体を大幅に軽量化したことです。従来型の中型旅客機B767では、機体全体の重量に占める割合で3%程度しかCFRPを使っていなかったのですが、B787では50%にまで拡大しました。仮にB767をB787と同じ構造で作った場合、機体の重量が約60トンから48トンへと20%もの軽量化が実現する計算になるそうです。

 機体が軽量になれば、その分だけ乗客や貨物を多く載せられますから、重量あたりで消費する燃料の量が少なくて済みます。また、人や荷物の積載量を従来と同じレベルに抑えれば、機体総重量が小さくなる分だけ、フライトあたりに消費する燃料の量とCO2の排出量が減らせます。

 おそらく、航空機の歴史に残る機体となるであろうB787の設計と製造には、日本国内の材料・製造メーカーが多大な貢献をしています。CFRPと、その素材である「炭素繊維」の分野では、技術面でも生産量でも日本のメーカーが世界トップクラスにあることがその理由です。今回は、そんなCFRPについてまとめてみたいと思います。

炭素繊維と樹脂で良いとこ取り
 CFRPは、日本語では「炭素繊維強化樹脂」と呼ばれます。樹脂材料は一般的に「圧縮方向の強度は高いが、引張方向への強度が低い」という特徴を持っています。対して、炭素繊維は、「圧縮方向の強度は低いが、引張方向の強度は高い」という、樹脂とは正反対の特徴を持っています。この両者を一体化することで、圧縮方向にも引張方向にも強度が高い材料としたものがCFRPです。

 このように、複数の材料を組み合わせて使うことで、それぞれ単体では得られなかった特性を実現する材料を「複合材料」と呼びます。代表的な複合材料の一つである「鉄筋コンクリート」も、圧縮強度に優れるコンクリートと引張強度に優れる鉄筋を組み合わせて使うことで、両方向の強度に優れる特性を実現しているものです。また、小型船舶の船体などに用いられる「グラスファイバー」や「FRP(Fiber Reinforced Plastics)」と呼ばれる材料は、ガラス繊維と樹脂を組み合わせた複合材料ですが、ガラス繊維の代わりに炭素繊維を使ったものがCFRP、というわけです。


 炭素繊維とは、アクリル樹脂やピッチ(石油や石炭から取れる有機物)で作った繊維に特殊な熱処理を加えて、ほぼ炭素だけの状態にした繊維です。熱処理によって分子間の結合が変化していき、「炭素化」を経て、最終的に「黒鉛結晶構造(グラファイト構造)」と呼ばれる、非常に強固な結晶状態を持つ物質が得られます。この結合の強さが、引張方向への高い強度を生み出す理由となっています。

黒鉛結晶構造(グラファイト構造)の参考情報
アースサイエンス & TDKテクノロジー 
第5回 フレキシブルな透明導電フィルム“フレクリア®”

 最初に開発に着手したのはアメリカのユニオンカーバイド社で、1959年にレーヨンを原料として工業化に取り組みました。その後、1962年に通商産業省工業技術院(現在の産業技術総合研究所)の進藤昭男氏がポリアクリロニトリル(PAN)樹脂を原料とした炭素繊維の開発に成功。続いて1964年には、群馬大学の大谷杉郎氏が呉羽化学工業と連携してピッチ系炭素繊維の研究に着手し、開発に至ります。現在、炭素繊維の主流となっているPAN系、ピッチ系ともに日本で開発されたことが、CFRPの分野で世界トップクラスにある理由の一つでもあります。

CFRPは織物?
 さて、一口にCFRPと言っても、組成や製法は非常に数多くあるのですが、ここでは航空宇宙分野やレーシングマシンのモノコックボディなどに用いられる、最も高性能なCFRP「プリプレグを用いたオートクレーブ成形法」を中心に話を進めます。

 炭素繊維の「原糸」ができ上がったら、次はそれを使って「糸」を作ります。原糸には短繊維と長繊維があり、短繊維の場合は紡績工程を経て糸状にし、長繊維は表面処理によって得られる特性を利用して糸状に仕立てる、といった工程を踏みます。また、「撚り」の有/無などの違いによって、最終的に得られる製品の特性に合わせた材料としておきます。


 糸ができ上がったら、次に「織物」を作ります。

 短繊維の場合はフェルト状の「マット」や「ペーパー」を作ることもあります。用途によっては織物ではなく、糸をすり潰して粉末状にした「ミルドファイバー」や、短く切断した「チョップドファイバー」なども作られます。
 長繊維の場合は、普通の織物と同様の工程で「クロス」を作ることが一般的です。このクロスに、加熱することで硬化する「熱硬化性樹脂」を含ませて、半硬化状態としたものを「プリプレグ」と呼んでいます。

 CFRPの特徴の一つとして、「強度に方向依存性がある」ことがあげられます。最初に述べたように、炭素繊維は「圧縮方向の強度は低いが、引張方向の強度は高い」ので、織物を構成している繊維の方向との関係によって、強度に差が出てくるわけです。

 そこで、織物を作る段階から、最終的な製品に必要とされる方向強度を見越して、さまざまな織り方が駆使されます。代表的な織り方は、どの方向へも均等な強度となる「平織り」、縦糸と横糸の交点を特定の間隔でズラすことで斜め方向に強度が高まる「綾織り」、縦糸と横糸が交互に交差せず、交点の間隔も大きめに取った「繻子織り」などです。織り方によって、クロス/プリプレグ化した場合の柔軟性や、最終的な製品表面の滑らかさなどに差が出てくるため、適材適所に用いられることになります。

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