ＮＥＤＯマルチマテリアルシンポジウム2015年4⽉17⽇

革新的新構造材料等研究開発について

（NEDOプロジェクト）（NEDOプロジェクト）

岸輝雄

新構造材料技術研究組合（ISMA） 理事長

東京大学名誉教授

内閣府参与、革新的構造材料プログラムディレクター1

目次

１） 革新的新構造材料等研究開発の概要

２） Ｃ 材料の開発２） ＣＦＲＰ材料の開発

３） 革新鉄鋼の開発

４） 革新的非鉄材料の開発

５） 接合技術開発５） 接合技術開発

６） その他

2

2014年度 48億円 2015年度 42 6億円

経済産業省未来開拓プロジェクト（2013～2023）

目標：自動車を中心とした輸送機器の抜本的な軽量化（半減）に向けて、革新的接合技術 開発や 鋼材 ウム材 タ 材 グネシウム材

2014年度 48億円、2015年度 42.6億円

新的接合技術の開発や、鋼材、アルミニウム材、チタン材、マグネシウム材、炭素繊維及び炭素繊維強化樹脂（Carbon Fiber Reinforced Plastics 「CFRP」）等、輸送機器の主要な構造材料の高強度化等に係る技術開発を一体的に推進する。これにより、輸送機器の燃費向上によるエネルギー消費量とCO2排出量の削減、我が国の部素材産業及び材料ユーザー産業の国際競争力強化を目指す。際競争力強化を目指す。

アルミ ・フロアパネル アルミ・パッケ ジトレイ

アルミ/樹脂ルーフアルミ/樹脂トランクリッド

アルミ ・カウルケージトレイ

アルミ/樹脂

トランクリッド

正突部位：780MPa級ハイテンTWIP鋼など

側突部位：1.5GPa級ハイテン鋼板

アルミ/樹脂ボンネット

樹脂/アルミフェンダー

樹脂・リフトゲート

アルミ/樹脂ドアアルミ･ショックタワー フ ンダ ドア

3

熱可塑性 開発

個別課題

１．熱可塑性ＣＦＲＰの開発熱可塑性CFRPの中間基材の開発

性能評価技術の開発 構造設計技術の開発〃 性能評価技術の開発 、構造設計技術の開発、〃 成形加工技術の開発、など

２．革新鋼板の開発高強度高延性中高炭素鋼の開発中高炭素鋼組織の評価手法の開発

３ 革新的非鉄材料の開発３．革新的非鉄材料の開発革新的チタン材、マグネシウム材、アルミ材の開発

４ 接合技術開発４．接合技術開発中高炭素鋼やチタン材といった難接合材の接合革新的な固相摩擦撹拌接合技術（異材接合） など革新的な固相摩擦撹拌接合技術（異材接合）、など

4

新構造材料技術研究組合を設立(2013年10月）

実施体制

新構造材料技術研究組合を設立(2013年10月）Innovative Structural Materials Association (ISMA)

・組合員：36企業、1大学、1独法、再委託先 （主に大学と独法）

① 接合技術開発東レ、神戸製鋼所、新日鐵住金、JFEスチール、マツダ、UACJ、川崎重工、住友電工、新日鐵住金、IHI、日立

・再委託先：115（主に大学と独法）

東レ、神戸製鋼所、新日鐵住金、JFEスチ ル、マツダ、UACJ、川崎重工、住友電工、新日鐵住金、IHI、日立製作所、日立ﾊﾟﾜｰｿﾘｭｰｼｮﾝｽﾞ、日立金属、日立ﾒﾀﾙﾌﾟﾚｼｼﾞｮﾝ、田中貴金属

新たに開発した材料の接合技術（同種材料、異種材料）

② 個別課題

革新的チタン材の開発

神戸製鋼所

革新的ｱﾙﾐﾆｳﾑ材の開発

UACJ

革新的ﾏｸﾞﾈｼｳﾑ材の開発

産総研

三協立山

革新鋼板の開発

神戸製鋼所

CFRPの開発名古屋大学、三菱ﾚｲﾖﾝ、ｶﾄﾞｺｰﾎﾟﾚｰｼｮﾝ、東洋紡、ｽｽﾞｷ、ﾀｶｷﾞｾｲｺｰ、 IHI、本 技術 究所

② 個別課題

新日鐵住金

東邦ﾁﾀﾆｳﾑ

産総研

神戸製鋼所

三協立山

住友電気工業

不二ﾗｲﾄﾒﾀﾙ

大日本塗料総合車両製作所

神戸製鋼所

新日鐵住金

JFEスチール

本田技術研究所、三菱自動車工業、東レ、日産自動車、ｱｲｼﾝ精機、福井ﾌｧｲﾊﾞｰﾃｯｸ、産総研、住友重機械工業、共和工業、島津製作所、小松製作所、ﾄﾖﾀ自動車、東邦 ﾅ ｸ 富士重 業邦ﾃﾅｯｸｽ、富士重工業

研究戦略策定、実用化に向けた課題抽出、共通基盤研究など

③ 調査・計測解析評価研究：全組合員

5

府 戦略的イノベ シ ンプ グラム

府省連携課題

COE & Network(国際協調

･･･内閣府･･･ 経済産業省･･･ 文部科学省

未来開拓戦略的イノベーションプログラム

元素戦略

性能

(国際協調, capacity building)

学術

(c)耐熱合金,金属間化合物

発電機性能術

研究(

理

(b)セラミックス, CMC(a) , CFRP(a)樹脂, CFRP 航空機

発電機

寿命

理論

鉄鋼 実験 経験知

計算機理論、計算

(d)マテリアルズインテグレーション 鉄道

接合軽金属

鉄鋼 実験・経験知算科学、計 自動車

CFRTP計測)

自動車

製法, 構造、特性 性能特性 性能

6

主として次世代自動車用途を目指すCFRP材料

競合技術との対比による研究開発の位置づけ～量産車構造に必要な力学特性とコストの両立～

オートクレーブ

（プリプレグ）定

性） 連続繊維

（ＣＦＲＰ）スチール

プリプレグ

優 航空機

（プリプレグ）

ＲＴＭ

（織物）

性率

、安

定（ＣＦＲＰ）

オートクレーブ

Ａｌ合金

BMW: i3（織物）

強度

、弾

性

オ トクレ ブ

樹脂ＣＦ織物

Ｍｇ合金

自動車*繊維長1～10mm

射出成形

熱硬化系

学特

性（強

不連続繊維

プレス成形

ＧＦＲＰ（連続）

*繊維長0.1～3mm

射出成形（ペレット） 熱可塑系力

学

続繊

成形性（サイクルタイム 複雑形状 コスト）優力学特性 ベ

射出成形材料

成形性（サイクルタイム、複雑形状、コスト）優力学特性レベル

（対抗材料） ※ＳＭＣ：Sheet Molding Ｃｏｍｐｏｕｎｄ、ＲＴＭ：Resin Transfer Molding

*LFT-D: Long Fiber Thermoplastic-Direct NCC:National Composite Center

ISMAにおけるCFRP研究開発LFT D: Long Fiber Thermoplastic Direct NCC:National Composite Center

熱可塑樹脂原料ペレット

添加剤

熔融・混練

炭素繊維ロービング

名古屋大学名古屋大学NCCNCCプロセスプロセス導入予定

熔融 混練

混練・押出(二軸スクリュー型)

プリフォーム

高速プレス成形(3500t）

LFT‐D 押出素材（フトン）

炭素繊維/ポリアミド樹脂マテリアルハンドリング

ロボット熱風加熱

CFRTPプリフォーム

作製

プリフォーム予備加熱

プリフォーム搬送

成形

作製

プリフォーム

導入予定

CTT（テープ材）

CMT (マット材）

マテリアルハンドリングIR加熱

炭素繊維/ポリプロピレン樹脂 高速プレス成形(1000t）東京大学プロセス東京大学プロセス

マテリアルハンドリングロボット

高強度高延性中高炭素鋼板の開発最終目標 強度：1 5 GPa かつ 伸び：20%最終目標 強度：1.5 GPa かつ 伸び：20%

30%軽量化効果 （従来590MPaの2.5倍） 従来590MPaと同等 （従来1.5GPaの3倍）

(1) 組織制御技術開発 (2) 機構解明技術開発( ) 組織制御技術開発

・軽元素の有効利用による粒界強化

・γ‐α’形態制御による複相化

( ) 機構解明技術開発

・高温プロセス中その場組織観察

・変形中その場組織観察

・残留γ中炭素量の高度制御による高延性化

（Ａ） （Ｂ）

・軽元素の濃度分析精度向上

γ→α変態過程の

粒界強化元素の粒界偏析有害元素の無害化

異なる状態の残留γを混在化させて加⼯硬化挙動制御

γ→α変態過程のその場中性⼦解析

ｵｰｽﾃﾅｲﾄ（Ｃ）

・Fe原子・C原子 電顕 など よ

9

ﾏﾙﾃﾝｻｲﾄ

γ-αʼ複相組織の最適化制御 50nm

・C原子 電顕・APなどによる残留γ存在状態の解析技術を構築

我が国では精錬を行 ておらず 地金を輸入 (価格変動あり)

非鉄材料分野の現状と狙い

Al・我が国では精錬を行っておらず、地金を輸入。(価格変動あり)・既に大きな市場が存在、我が国はリサイクルを中心に発展。(缶は高リサイクル率)・現行材料から素材改良により日本の独自性を示す必要。・自動車への展開では価格が最大の課題・自動車への展開では価格が最大の課題。

Ti・航空機や熱交換器、建材などを中心に市場が存在。・我が国では、精錬から加工まで一貫して実施（高信頼性素材として世界へ輸出）。自動車 の展開では 部実用化（マフラ や排気バルブなど）されているがTi ・自動車への展開では、一部実用化（マフラーや排気バルブなど）されているが、問題は加工コストを含めた価格が高いこと。

・コスト低減に向けた精錬・溶解・加工工程を一体化した研究開発が必要。

実 金属中最軽量 資源的 も豊富 あるが 市場がまだ確立され な

Mg・実用金属中最軽量で、資源的にも豊富であるが、市場がまだ確立されていない。・我が国で精錬は行われておらず、地金を主に中国から輸入している。・パソコンやカメラの筐体に使用されているが、大型構造物への適用はまだである。欧州では自動車部品の 部に使用されているが 課題は ストである・欧州では自動車部品の一部に使用されているが、課題はコストである。

・今後の産業応用の課題の一つは難燃化であり、日本は世界をリードしている。

狙い

１．革新的新合金開発国際競争力

狙い

10２．革新的低コスト化技術開発

国際競争力の向上

高強度・高靭性アルミニウム合金の開発

引張強さ（MPa） 伸び（MPa）

(均質化処理)470℃-10h

(熱間圧延)

50℃/h

(溶体化処理)

(時効処理)50℃/h

400℃

(鋳造)

50℃/h

470℃-2h

【開発目標】

700

800

最終目標700

800

最終目標

25%強度向上（靭性同等）

引張強さ（MPa） 伸び（MPa） 50℃/h

AC ACWQ

50℃/h

120℃-24hAC

自然時効：24h

50℃/h

500

600

700

現行材T77511)

中間目標

最終目標

500

600

700

現行材(7150‐T77511)

H27目標

最終目標

耐力

(MP

a)

【製造工程の最適化】

300

400

5 8 11 14 17 20

ブレイクスルー

伸び（％）

300

400

5 8 11 14 17 20

ブレイクスルー

伸び（％）

電磁撹拌なし

【製造工程の最適化】

成分 Si Fe Cu Mg Zn Zr

mass% 0.06 0.07 1.5～3.0 1.5～3.0 10.0 0.15

2

2.5

3

730-750

710-730

690-710

670-690

Cu（

mas

s%）

2

2.5

3

730-750

710-730

690-710

670-690

730-750

710-730

690-710

670-690

Cu（

mas

s%）

2

2.5

3

15-1812-159-126-93 6

Cu （

mas

s%）

2

2.5

3

15-1812-159-126-93 6

（）

【凝固プロセスへの電磁撹拌適用による結晶粒微細化】

耐力

伸び

1.5 2 2.5 31.5

650-670

Mg（mass%）

C

1.5 2 2.5 31.5

650-670650-670

Mg（mass%）

C

1.5 2 2.5 31.5

2 3-6

Mg（mass%）1.5 2 2.5 3

1.5

2 3-6

Mg（mass%）

合金組成および製造工程の最適化により2015年

【凝固プロセスへの電磁撹拌適用による結晶粒微細化】

【合金組成の最適化】 合金組成および製造 程の最適化により2015年度目標を達成（耐力：636MPa・伸び：15％）。

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希薄 系合金による高速押出技術開発

難燃性マグネシウム合金の製造プロセス開発

希薄Mg-Al-Ca-Mn系合金による高速押出技術開発

高速押出と機械的性質を両立する添加元素量の適正化を実施中

長岡技科大との連携

高速車両構体の断面構造(イメージ)外観カットサンプル

添加元素 適 化 実施中

2015年度目標（UTS：250MPa、El：15%、AZ31以上の押出速度、AZX311同等の難燃性）をラボで達成。

との連携

幅 高さ

希薄Mg合金大型中空形材の押出成形検証

⇒車両構体用押出部材を想定したダブルスキン形材の試作

幅251mm×高さ50mm

（12インチ6000トン押出機）

接合技術（TIG,MIG,FSW)の開発

W電極不活性ガス

ノズル溶接棒

TIG溶接法の適正接合条件範囲 FSW法の適正接合条件範囲

AZX612合金を対象としてTIG, MIG, FSW法の最適化を図り、最適接合条件範囲を明確にし、2015年度目標値（継手効率70％以上）を上回る施工法を確立した。

12

マルチマテリアル構造に対応した接合技術の開発

超 イ 鋼同士 鋼板/軽金属 金属/樹脂などを なぐ超ハイテン鋼同士、鋼板/軽金属、金属/樹脂などをつなぐ接合技術（点接合・連続接合）の開発が必要。

点接合 連続接合

レーザ溶接

抵抗スポット溶接

レ ザ溶接

レ ザろう付抵抗スポット溶接 レーザろう付

リベット接合Self

Piercing リ アーク溶接 抵抗シーム溶接g リベット接合

自動車生産で利用されている接合技術の例

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材料の比強度&比剛性

700MPa

密度(g/cm3) 7.9 4.5 2.7 1.7 1.5500

CFRP(連続繊維)400

700MPa

530MPa500

到達可能レベル

プロジェクト開発目標

現状レベル

2000MPa

m  )3

Mg 合金

Ti 合金300

CFRP(CF/PA6)

1200MPa750MPa

540MPa

MPa/g/c

Al 合金CFRP

2001800MPa1500MPa1200MPa

1000MPa 600MPa 360MPa

300MPa

σf/ρ(M

CFRP(短繊維)100 GFRP

比強

度

伸び(%) 20% 15% 12% 15%

鉄鋼

比剛性

00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

伸び(%) 20% 15% 12% 15%

√E/ρ( √Gpa/g/cm)333比剛性 √E/ρ( √Gpa/g/cm)33

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材料価格の比較

0.1 ¥/g 1 ¥/g 10 ¥/g 100 ¥/g 1,000 ¥/g 100,000 ¥/g

●1,200

● ● ● ●● ●0.04～0.09 1.5～1.80.3 0.40.29

50853

Fe●3,400

Rh●5,000

PtPdAgMoCoTiNiMgAl Cu10,000 ¥/g

●● ●

金属

0.04 0.09 0.3

●4,500

Au

Si自動車

1.1～4.8 100～1000戦闘機

1,200～20,000人工衛星

ＣＮＴ probe

無機

●PSZ

0.1～2

Alumina 0.01～0.7

1,200 20,000

1 000 2 0000バイオセラミックス

CNT10～100

機材料

●8～10

SiC3～12

Si3N45～10

Y2O314～25

1,000～2,0000

超硬工具 セラミック工具150～700

Combustion-synthesizedSiAlON ●

0.6Phosphor SiAlON

有機

● ●

●

●0.60.30.25

10PEEKPES

PAPolyethylene

Vinyl chloride Polyesterレンズ

200～700

カメラ20～500

PP

機材料

● ●●

0.5～0.70.3～0.4

10●

3

PESVinyl chloride Polyester

6～25アラミド繊維

PAN系 炭素繊維 Light-sensitive 耐熱コーティング

200～300

(HEMA，PMMA)200～700

●0.4～0.5

Epoxy

携帯電話 ～2001.5～3.0

15

携帯電話 200

Original figure made by Ando, JST and revised by ISMA.

生産工程での等価CO2 排出量

2.3～2.7

2 3～2 7高張力鋼板

鋼板

2.3～2.7

13.9～15.5

高張力鋼板

ｱﾙﾐﾆｳﾑ

18～24.8

40～45

マグネシウム (electroysis)

マグネシウム(pigeon)

21～23カーボンファイバー

等価CO2 排出量/ kg

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