CFRPの種類と強度
（PAN系、ピッチ系、ドライカーボンなど）
by 北陸カラーフォーム

CFRP(炭素繊維強化プラスチック)は、炭素繊維と樹脂を組み合わせた複合材料の1つです。CFRPと一口に言っても、使用する炭素繊維の種類と形状、マトリックス樹脂の種類、成形方法などによって、その特性は大きく異なります。本記事では、CFRPの多様さと各々の特徴、そして用途に応じた選定の基本的な考え方について解説します。

CFRPの基本構成

CFRPは、強化材である炭素繊維と、それを保持するマトリックス樹脂から構成されます。炭素繊維が荷重を負担し、樹脂が繊維を固定して形状を保持する役割を果たします。この2つの材料の組み合わせにより、単独の材料では実現できない優れた特性を発揮します。
複合材料の力学的特性は、以下の複合則(Rule of Mixtures)によって推定できます。

複合材料の引張強さ ≒ 強化繊維の引張強さ × 繊維の体積含有率

この式から、繊維の性能と含有率が複合材料全体の特性を決定する重要な要素であることがわかります。実際のCFRPでは、繊維の体積含有率は一般的に50〜65%程度の範囲で設定されます。

つまり、CFRPの性能を最大限に引き出すためには、繊維含有率を高めることが重要です。繊維含有率が高いほど、炭素繊維の優れた機械的特性が複合材料全体に反映されます。ただし、樹脂は繊維間の応力伝達や繊維の保護という重要な役割を担っているため、適切なバランスが求められます。

炭素繊維による分類

炭素繊維は、原料と製造方法により大きく2種類に分類されます。

PAN系炭素繊維

ポリアクリロニトリル(PAN)を原料とする炭素繊維で、現在最も広く使用されています。製造プロセスの制御性が高く、高強度から高弾性率まで幅広い特性の繊維を製造できます。汎用性が高く、航空宇宙から産業用途まで幅広く採用されています。

ピッチ系炭素繊維

石油や石炭由来のピッチを原料とする炭素繊維です。特に高弾性率タイプでは、PAN系を大きく上回る弾性率を実現できます。熱伝導性にも優れており、放熱性が要求される用途に適しています。
また、性能の観点からは以下のように分類されます

高強度型(High Strength)

引張強度が高く、比較的低コストです。一般産業用途や自動車部品など、コストパフォーマンスが重視される用途に適しています。

高弾性型(High Modulus)

弾性率(剛性)が高く、変形しにくい特性を持ちます。航空機の主翼や衛星構造材など、高い寸法安定性が要求される用途に使用されます。高強度型に比べてコストは高くなります。

マトリックス樹脂による分類

マトリックス樹脂の種類は、炭素繊維との親和性、成形性、耐熱性、リサイクル性に大きく影響します。

熱硬化性CFRP

エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を使用したCFRPです。加熱により化学反応を起こして硬化し、一度硬化すると再び溶融しません。以下の特徴があります

• 優れた機械的特性と耐熱性
• 寸法安定性が高い
• 航空宇宙分野での豊富な実績
• 成形に時間がかかり(数時間)、リサイクルが困難

熱可塑性CFRP

ポリアミド(PA)、ポリプロピレン(PP)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)などの熱可塑性樹脂を使用したCFRPです。加熱すると軟化し、冷却すると固化する性質を持ちます

• 短時間成形が可能(数分〜数十秒)
• 再加熱により成形可能でリサイクル性に優れる
• 高い靭性と耐衝撃性
• 量産性に優れ、自動車産業での採用が拡大中

近年、自動車産業を中心に熱可塑性CFRPへの注目が高まっています。これは、短時間成形による生産性向上と、リサイクル性によるサステナビリティへの対応が可能なためです。

成形方法による分類

成形方法の選択は、製品の形状、生産量、コストに直接影響します。

プリプレグ成形

炭素繊維に樹脂を予め含浸させたプリプレグシートを積層し、オートクレーブで加熱・加圧成形します。高品質なCFRP製品を製造できますが、材料コストと成形時間がかかります。航空機の主構造など、性能が最優先される用途に適しています。

RTM/VaRTM

RTMはResin Transfer Molding（レジントランスファーモールディング）の略で、型に炭素繊維を配置し、そこへ樹脂を注入して硬化させる方法です。複雑形状の成形が可能で、プリプレグ法より低コストです。自動車部品や産業用部品に広く採用されています。

VaRTMはVacuum assisted RTMの略で、型内を真空にして樹脂を吸引する方式です。片面の型で成形できるため、大型部品にも対応しやすいのが特長です。

SMC/BMC成形

短繊維CFRPのシート状材料(SMC)またはバルク状材料(BMC)を用いたプレス成形です。数分で成形でき、量産性に優れています。自動車の外板パネルや構造部品に使用されます。

引抜成形（連続成形）

炭素繊維を樹脂に含浸させながら加熱ダイを通し、連続的にプロファイル形状を製造する方法です。断面が一定の長尺材を安定して量産でき、パイプや角材、構造用の型材などに使用されます。なお連続的に成形できる方法としては、このほかに射出成形もあります（ただし連続繊維は引けないため、短繊維材が対象となります）。

フィラメントワインディング

回転するマンドレルに、樹脂を含浸させた炭素繊維を巻き付けて円筒形状を製造する方法です。繊維の巻き付け角度を制御できるため、内圧のかかる部品に向いており、圧力容器やロール、パイプなどに使用されます。

積層構成による分類

一方向材と織物材

一方向材は、炭素繊維が一方向に配列された材料で、その方向に最大の強度と剛性を発揮します。織物材は、繊維を縦横に織り込んだ材料で、面内の等方性が高く、取り扱いも容易です。用途に応じて使い分けることが重要です。

擬似等方積層

一方向材や織物材を0°、±45°、90°の方向に積層することで、面内の特性を疑似等方的にする積層構成です。多方向からの荷重に対応でき、設計の自由度が高まります。また、樹脂成形では避けられない反りを低減する効果もあります。

用途別選定事例

航空宇宙分野

性能が最優先される分野です。高強度・高弾性のPAN系炭素繊維とエポキシ樹脂の組み合わせによるプリプレグ成形により製造が主流です。ボーイング787では機体重量の約50%にCFRPが使用され、大幅な軽量化を実現しています。

自動車分野

コストと量産性のバランスが重要です。熱可塑性CFRPとSMC/BMC成形の組み合わせが増加しており、短時間成形による生産性向上が図られています。スーパーカーでは車体の軽量化のためにCFRPプリプレグでのモノコックが採用され、電気自動車では航続距離延長のために構造部品への適用が進んでいます。

産業用途

用途に応じて最適な材料・成形法が選択されます。スポーツ用品では高強度PAN系と引抜成形、風力発電ブレードではガラス繊維とのハイブリッド化、産業用ロボットアームでは高剛性と軽量化の両立が求められています。

CFRP選定の考え方

適切なCFRPの選定には、要求性能、コスト、生産量のバランスを考慮する必要があります。

性能要求が最優先の場合

• PAN系高強度または高弾性炭素繊維
• 熱硬化性樹脂(エポキシ)
• プリプレグ成形
• 用途例:航空機主構造、衛星構造材、高性能レーシングカー

コスト・量産性を重視する場合

PAN系汎用グレード炭素繊維

• 熱可塑性樹脂(PA、PP)
• SMC/BMC成形、射出成形
• 用途例:自動車部品、産業機器部品、一般スポーツ用品

CFRPの成形方法別比較表

分類	マトリックス樹脂	特徴	主な用途	コスト
プリプレグ成形	熱硬化性（エポキシ）が主流。熱可塑性（PA、PPS、PEEKなど）もあり	最高性能、高品質	航空宇宙、高性能車	高
RTM/VaRTM	熱硬化性（エポキシ、ビニルエステル）	複雑形状対応、中品質	自動車、産業機器	中
SMC/BMC成形	熱硬化性（不飽和ポリエステル、ビニルエステル）	高速成形、量産対応	自動車量産部品	中〜低
引抜成形	熱硬化性（エポキシ、不飽和ポリエステル）が主流。熱可塑性も一部あり	プロファイル形状、連続生産	パイプ、構造用型材	低
フィラメントワインディング	熱硬化性（エポキシ）が主流。熱可塑性も一部あり	円筒形状、繊維角度の制御が可能	圧力容器、ロール	中
プレス成形	熱可塑性（PA、PP、PPSなど）	数十秒〜数分の成形、リサイクル性	自動車量産部品	低〜中
射出成形	熱可塑性（PA、PPなど）	複雑形状の大量生産、短繊維のみ	家電・機構部品	低

CFRPは、炭素繊維の種類、マトリックス樹脂、成形方法の組み合わせにより、多様な特性を持つ材料です。最適なCFRPを選定するためには、以下のポイントを考慮することが重要です

• 要求される性能レベル(強度、剛性、耐熱性など)
• 生産数量と成形サイクル時間
• コスト制約
• 製品形状の向き不向き
• リサイクル性・環境対応

CFRPの種類を正しく理解し、用途に応じた適切な選定を行うことで、軽量化、高性能化、コスト最適化を実現できます