２０１５年１１月２１日

東レ株式会社ＡＣＭ技術部部長 花野 徹

科目 VT523ｃ 化学工業特論ケミカルズが生み出す日本の力

・・・機能性化学品（１）先端材料・・・

講義No.9 炭 素 繊 維

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初めて炭素繊維を作ったのは？

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構造用（ＰＡＮ系）炭素繊維は日本発、日本育ち

1878 セルロース系炭素繊維(電球フィラメント)

1958 米国ユニオン・カーバイト社(ＵＣＣ）、

レーヨン系炭素繊維の製造を開始 ＜宇宙開発 競争時代＞ 耐熱材から構造材へ 1961 大阪工業試験所、進藤昭男先生がＰＡＮ系 炭素繊維製造の基本原理を発表 1964 英国王立航空研究所ＰＡＮ系炭素繊維製造 の改良法(高強度)を発表 ＜PAN系炭素繊維の高性能化競争＞ ﾎﾞﾛﾝ繊維

1971 東レ、ＰＡＮ系炭素繊維「トレカ」の生産

開始（大工試法＋改良ＰＡＮ） 1972 米国ハーキュレス社、ＰＡＮ系炭素繊維の 生産開始(現在はHexcel)

1974 東邦レーヨンＰＡＮ系炭素繊維の生産開始

（現在は帝人）

1976 三菱レイヨンＰＡＮ系炭素繊維の生産開始

CFRP製ファンブレード

RB211エンジン(1970)

ｳﾞｫｽﾄｰｸ１号(1961)

ｴｸﾞｼﾞｯﾄｺｰﾝ

耐熱材

構造材

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炭素繊維メーカーの消長

＜PAN系レギュラートゥ・タイプ＞

参入企業 1970年 1975 1980 1985 1990 1995 2000 現社名

東レ 東レ

東邦レーヨン 東邦テナックス

三菱レイヨン 三菱レイヨン

日本ｶｰﾎﾞﾝ/旭化成

Hercules Hexcel

Great Lakes / Akzo

Celanese / BASF

ＵＣＣ / BP Amoco Cytec

Grafil

Courtaulds

Sigri / Hoechst SGL Carbon

Enka / Akzo

台湾プラスチックス 台湾ﾌﾟﾗｽﾁｯｸｽ

韓国製鉄化学

泰光（韓国）

：買収による規模縮小 ：撤退または売却

アジア

欧米

日本

Ｘ

Ｘ

Ｘ

Ｘ

Ｘ

Ｘ

Ｘ

Ｘ

Ｘ

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0

20

40

60

80

100

120

140

160

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

「トレカ」生産開始

テニスラケット

＆

ゴルフシャフトブーム

エアバスＡ３２０

一次構造材

ボーイング７７７

一次構造材

産業用途本格化

産業用途

航空宇宙用途

スポーツ用途

導入期 （1971－1983)

成長期 （1984－1993)

拡大期 （1994－2003)

本格拡大期 （2004－2011)

飛躍的拡大期 （2012- )

エアバス

Ａ３８０

ボーイング

７８７

用途

限定分野

釣竿

航空機二次構造材

用途拡大

テニスラケット

ゴルフシャフト

航空機一次構造材

産業用途本格化 圧力容器

産業機械、船舶

土木建築、補修補強

航空用途急拡大・自動車本格

化 航空大型ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ

風力発電

自動車関連、海底油田

備考

高品質 品種増大

成形加工技術の進歩

コストダウン

大型構造材

加工法多様化

リサイクル対応

自動車用途本格拡大

炭素繊維市場の変遷 ｽﾎﾟｰﾂ、航空機、一般産業へ

人工衛星

径=５μｍ

炭 素

繊 維

需 要

（千

トン

／年

）

Hexcel

Cytec

台湾プラスチック

東邦グループ三菱レグループ

ラージ　トゥ 東レグループ

シェア約７０％

2010年

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重合 紡糸 １次延伸･水洗 ･油剤付与

乾燥 ２次延伸 アクリル繊維 （ＰＡＮ繊維）

ＰＡＮ

C C C C C

C≡N C≡N C≡N

ＡＮ 触媒 溶剤

（20～90℃）

（150～

200℃）

（150～200℃）

PAN系炭素繊維の造方法 （重合・製糸工程）

CH2=CHC≡N

ＡＮ（アクリロニトリル）

C C

C≡N

C C

C≡N

+

重合 +・・

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原糸（PAN繊維） 耐炎化炉 炭化炉 (黒鉛化炉) サイジング 表面処理

炭素繊維

原糸 耐炎化糸 炭化糸 黒鉛化糸

C C C C C

C≡N C≡N C≡N

200～300℃， 30～60分

（2000～ 3000℃）

N N

C C C

N

C

C

C

C

C

C

O

N N

＜空気中＞ ＜不活性ガス＞

ＰＡＮ系炭素繊維の製造方法（焼成工程）

（1000～ 2000℃）

ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）繊維は自社生産（１９５９～）

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100 200 300 400 500 600 700 1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0 高強度糸

高弾性率糸

T1000

T1000G

T800S

T700S

T400H

T300J

T300 M30

M40 M46

M50

M35J

M40J M46J

M50J M55J

M60J M65J

M70J

引張弾性率（GPa)

引張

強度

（GPa)

炭素繊維“トレカ”の強度、弾性率

T800H

高張力鋼

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炭素繊維

圧力容器

商 品 形 態

成 型 法

例

フィラメントワインディング

シートワインディング

オートクレーブ

クロス（織物）

自動車・自転車・船舶 航 空 機

ＰＰ(プリプレグ） チョップド

ハンドレイアップ Ｒ Ｔ Ｍ

プルトリュージョン

ゴルフシャフト パソコン

コンパウンド

炭素繊維と樹脂の複合化（各種成形方法）

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炭素繊維複合材料(ＣＦＲＰ)の特徴

◆ CFRP：物性と形状を設計する。

ＣＦ

界面

樹脂

一方向積層板

多方向積層板

異方性

軽薄

構造体

等方性

◆ 金属：材料を選定し形状を設計する。

圧延板 構造体

重厚

・高意匠性

・省材料

・低ｴﾈﾙｷﾞｰ消費

・省スペース

・超軽量　等々

形状設計

形状設計材料設計

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ＣＦＲＰゴルフシャフト（必要な方向にだけ補強）

カーボ ン （ CFRP ） シャフト構成

高強度炭素繊維 （ 曲 げ）

高弾性率炭素繊維 （ ねじ り）

クラブ構 成 （ 重量配 分 ） と飛距離

飛距離

正確さ

ヘッド重量を大きく ヘッドスピードを高く

シャフト軽量化

シャフトねじり剛性

全重量 （ g ）

飛距離 （ m ） クラブ

ｽﾁｰﾙ

CFRP

重量配 分 （ g ） ｸﾞﾘｯﾌﾟ ｼｬﾌﾄ ﾍｯﾄﾞ

55 130 190

55 80 240

375

375

200

217

150

シ ャ フ ト 重 量 (g)

0

50

100

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 西 暦 （年）

金属シャフト

カーボンシャフト

ｶｰﾎﾞﾝｼｬﾌ ﾄ の 登場

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F14

F15

S76

Learfan 2000

Avtek 400

Voyager

V22

LHK Stership

F16

F18

AV8B

B757

B767 A310

X29

ATR42

A300

EAP Rafal

JAS39

ATF

Rafal D

A320

ATR72

A340 B777

1995

1970

1975

1980

1985

1990

2000

100

80

60

40

20

0

機体

重量

に占

める

複合

材料

の割

合（％

）

初飛行年

回転翼機 ビジネスジェット

小型機

大型機

2005

2010

A340-600

A380

B787

航空機へのＣＦＲＰ適用の歴史

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航空機CFRP使用部位の拡大 -ボーイング社-

B７７７： 一次構造材に適用開始

2000-2010 1990-2000 1980-1990 1970-1980

B777 B757, B767 B787

＋ラダー ＋エレベータ ＋スポイラー ＋フェアリング

＋脚ドア

＋主翼 ＋中央ウィングボックス ＋胴体

＋水平尾翼 ＋垂直尾翼 ＋フロアビーム

B747-400 B737、B747 B737-300

＋ウィングレット ＋フロアパネル

B777

B7E7 2011就航

B787 Ｂ７８７： 構造材をオールコンポジット化

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粒子層間強化技術による耐衝撃性の向上

0

衝撃エネルギー （in-lb/in）

衝撃

後圧

縮強

度 (

MPa)

アルミニウム合金

従来CFRP

0 500 1000 1500 2000

100

200

300

400

500

600

＜航空機構造が受ける外部衝撃＞

跳ね石 雹（ひょう）

工具落下（製造工程）

＜積層CFRPパネル＞

＜粒子層間強化＞

衝撃による 層間剥離

炭素繊維層

炭素繊維層

層間強化による耐衝撃性の向上

衝撃後圧縮強度 ＣＡＩ （Compression After Impact）

衝撃 圧縮

粒子層間強化CFRP

熱可塑樹脂粒子 （エネルギー吸収）

クラック

粒子層間強化技術

良

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風車 燃料電池 水素タンク

航空用途

自動車用途

CFRP

CFRP

シャーシ ボンネット プロペラシャフト

エネルギー用途

スポーツ用途

釣り竿 ゴルフシャフト 自転車

パソコンケース ロボットハンド ＣＴスキャン天板

土木用途

鉄道高欄 デッキ補強 橋脚補強

CFRP

Boeing 787 MRJ ロケット

IT・機械・医療用途

PROPRIETARY 炭素繊維複合材料の主要な用途

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CFRP化

<前提> 車両重量：1,380kg＊１ （ガソリン車、４ドア、ＦＦ） 実走行燃費：9.8km/l＊１

生涯走行距離：9.4万km＊２（平均使用年数10年） （出典：＊１自工会、＊２ 国土交通省） CFRP利用車：CFRP17%適用、30%軽量化（従来車

対比）

<協力> 東京大学 高橋教授 神戸山手大学 Feuerherd教授 トヨタ自動車

炭素繊維利用によるＣＯ２削減効果：自動車ＬＣＡ

20ﾄﾝ

炭素繊維製造時の CO2排出量

ライフサイクル CO2削減効果

（製造時含む）

自動車１台当たり 炭素繊維１ﾄﾝ当たり

▲50ﾄﾝ

▲ 5 ﾄﾝ CO2 削減／(CF1ﾄﾝ・年)

▲0.5 ﾄﾝ CO2 削減／(台・年)

削減効果: ５ﾄﾝ（16%）

3.9 t 26.0 t

1.2 t

0.3 t

5.1 t 20.2 t

0.8 t 0.3 t

合計：31.5 t

合計：26.5 t

素材製造 組立 走行 廃棄

従来 自動車

CFRP 自動車

CO2 [ﾄﾝ／(台・10年)]