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炭素繊維の最先端技術

  • The Recent Trends of Carbon Fiber
★ 鉄、アルミに続く第3の汎用材料として注目される炭素繊維の全容を解明!!
★ 炭素繊維の特性、材料設計、成形加工、マトリック樹脂の動向等、最先端の技術動向を解説!!
★ 航空・宇宙分野をはじめ、自動車、土木・建築、エネルギー関連、スポーツ・レジャーなど応用開発の現状と展望を詳述!!

商品コード: T0548

  • 監修: 前田豊
  • 発行日: 2007年1月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判、290ページ
  • ISBNコード: 978-4-88231-672-5
こちらの書籍については、お問い合わせください。
  • 複合材料,PAN系,ピッチ系,活性炭素繊維,ナノ炭素繊維,航空機,スポーツ,土木・建築,船舶,リサイクル

刊行にあたって

 炭素繊維は、その開発から約45年の歴史経て、航空機産業、スポーツ・レジャー産業から建設産業にわたるほとんどすべての工業・一般産業分野において使用されるまでになった。
 さらに、将来も高い成長が見込まれているのは、炭素繊維がマトリックスと組み合わせた複合材料として、独自の特徴を生かした用途を開拓し、2000年代という新しい時代の基盤をつくる材料であり、鉄、アルミに続く第3の汎用材料として成長すると考えられるからに他ならない。
 ただ炭素繊維は、素材であって最終製品ではない。素材を成品や部材、構造物に仕立てあげるためには、各種の加工が必要となる。
 製品の用途、加工の方法や工程などは、それぞれの製品形態によって大幅に異なり多様である。より有効な使い方や新しい応用技術が開発できれば、実用化が期待できる新規の用途も大きく広がる可能性がある。
 炭素繊維の製造や利用技術の紹介書は、いくつか存在するが、すでに時を経てきている。
 本書は、炭素繊維の最新の技術動向を把握し、商品開発を目指す企業や一般技術者のため、炭素繊維の最先端技術を用途開発を含めて紹介することを目的としたものである。
 炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維を利用するものが主体となるが、ピッチ系その他、異なる原料を用いた各種炭素繊維(糸)や、耐炎繊維、活性炭素繊維などについても述べる。
 最新の技術資料によって性能、商品形態、特徴などを整理し、あわせて競合ないし併用もされる補強用繊維との位置付けを明確にしていく。
 各種の中間基材についても、繊維、糸と同様の考えでまとめるとともに、樹脂系複合材料に用いられる母材樹脂や副資材の主なものに関する資料も提供する。
 先進複合材料については、すでに特色のある優れた入門書、実務解説書、専門書等が刊行されているが、本書は炭素繊維・複合材料に関する業界の各部門の専門家に、先端技術を取りまとめていただき、紹介することを主眼としている。ただし一部の分野については、編者の著書として株式会社シーエムシーから2000年11月に刊行された「炭素繊維の最新応用技術と市場展望」をベースとして、最新の技術の動向と展望に視点をおいて取りまとめたものである。
 炭素繊維の利用は、新時代を迎え飛躍的拡大が期待されるが、本書がその発展にいささかでも寄与できれば幸甚である。
2007年1月  前田 豊

著者一覧

前田 豊   前田技術事務所 代表
飯塚健治   飯塚テクノシステム(有) 代表取締役
荒井 豊   日本グラファイトファイバー(株) 広畑工場 取締役工場長
中川清晴   東洋大学 先端光応用計測研究センター 研究員
柳澤 隆   (株)GSIクレオス ナノテクノロジー開発プロジェクト 部長
石渡 伸   (株)GSIクレオス ナノテクノロジー開発プロジェクト 先端複合材料グループ グループリーダー
久田俊一郎   (株)ミクニ 航空宇宙部門 名古屋営業所 理事
川邊和正   福井県工業技術センター 創造研究部 技術融合研究グループ 主任研究員
石川隆司   宇宙航空研究開発機構 航空プログラムディレクタ
尾崎毅志   三菱電機(株) 先端技術総合研究所 複合・金属材料グループマネジャー
木村 學   (株)ジー エイチ クラフト 代表取締役
奥 明栄   (株)童夢カーボンマジック 代表取締役
木村耕三   (株)大林組 技術研究所 プロジェクト部 専門副主事
小島 昭   群馬工業高等専門学校 物質工学科 教授
大野秀幸   日本グラファイトファイバー(株) 営業部長

目次

第1章 炭素繊維の概観
1. はじめに
2. 炭素繊維の開発・工業化の歴史
2.1 PAN系CF(ポリアクリロニトリル系炭素繊維)
2.2 ピッチ系炭素繊維(CF)
2.3 その他の炭素繊維(CF)
3. 炭素繊維製造の概要
3.1 PAN系CFの製造
3.2 ピッチ系CFの製造
3.3 その他原料の炭素繊維
3.3.1 レーヨン系CF
3.3.2 気相成長CF
3.3.3 その他
4. 炭素繊維の利用の概況

第2章 炭素繊維の特性
1. はじめに
2. 炭素繊維の分類
2.1 炭素繊維の分類の背景
2.2 CFの慣用的な分類
2.2.1 汎用グレード(General Purpose Grade:GPグレード)
2.2.2 高性能グレード(High Performance Grade:HPグレード)
3. 炭素繊維の形態
3.1 炭素繊維製品の分類
3.1.1 連続繊維
(1) フィラメント系(Filament Yarn)
(2) スモールトウ(レギュラートウ)とラージトウ
(3) ステープル糸(Staple Yarn)
3.1.2 短繊維
(1) チョップドファイバー(Chopped Fiber)
(2) ミルドファイバー(Milled Fiber)
3.1.3 ファブリック
(1) 織物(Woven Fabric Cloth)
(2) 組物又は編組品(Braid)
(3) フェルト(Felt)
(4) マット、ペーパー(Mat、Paper)
4. 炭素繊維の性質
4.1 炭素繊維の形状
4.2 炭素繊維の化学組成
4.3 炭素繊維の水分
4.4 炭素繊維の耐薬品性
4.5 炭素繊維の機械的性質
4.6 炭素繊維の熱的性質
4.7 炭素繊維の電気的・電磁気的性質
4.8 その他の性質
(1) 生物親和性
(2) 吸着性
5. 炭素繊維周辺繊維の特性
5.1 耐炎繊維
(1) 耐炎繊維の化学的特性
(2) 繊維物性
(3) 耐炎性
(4) 耐熱性
(5) 耐薬品性
(6) 安全性
(7) 耐炎繊維の用途

第3章 炭素繊維(CF)複合材料の概観
1. CF複合材料補強材
2. CF複合材料の中間基材(テキスタイル・プリフォーム)
2.1 CFテキスタイル・プリフォーム開発の歴史
2.2 CFテキスタイル・プリフォームの種類と、それぞれの長所・短所
(1) 2D織物(Two Dimensional Woven Fabric、二次元織物)
(2) 3D織物(Three Dimensional Woven Fabric、三次元織物)
(3) ニット
(4) 多軸ノンクリンプ・ファブリック N.C.F(Multiaxial Non Crimp Fabric)
(5) 2Dブレイディング(2D Braiding二次元製紐)
(6) 3Dブレイディング(3D Braiding三次元製紐)
(7) カットアンドソープリフォーム
(8) その他のプリフォーム
2.3 ハイブリッド材料

第4章 複合材料の設計・成形・後加工・試験検査
1. はじめに
2. 複合材料の設計
2.1 複合材料設計の概要
2.2 複合材料設計の特徴
2.3 基本的設計事項
2.4 複合材料の構造設計
3. 複合材料の成形加工
3.1 成形加工技術の概要
3.2 成形法各論
3.2.1 オープンモールド成形
3.2.2 加圧成形
3.2.3 フィラメントワインディング成形法(FW法)
3.2.4 プルトルージョン(引抜成形)
3.2.5 マッチドダイ成形法(MDM)
3.2.6 その他特殊成形法
3.3 成形加工機
3.3.1 オートクレーブ
3.3.2 プレス成形機
3.3.3 フィラメントワインディング成形機(FW機)
3.3.4 プルトルージョン成形機(引抜成形機)
3.3.5 レジンインジェクション成形機(RI機)
3.3.6 射出成形機
4. 機械加工
4.1 機械加工上の留意点
4.2 切断加工
4.3 切削加工
4.4 穴あけ加工
4.5 研削加工
4.6 プレス加工(打ち抜き加工)
4.7 その他の加工
4.7.1 歯切り加工
4.7.2 ネジ切り、タップ立て
5. 複合材料の接合
5.1 機械的接合
5.1.1 繊維配向の影響
5.1.2 接合具の影響
5.1.3 形状の影響
5.2 接着接合
5.2.1 接合強さに関与する因子
5.2.2 接着接合の実施例
6. 試験方法の規定
7. 検査技術
8. 品質の安定化、品質保証

第5章 炭素繊維の性能向上
1. PAN系炭素繊維
1.1 はじめに
1.2 PAN系CF性能付与の基本的工程と技術動向
1.2.1 CFの高強度、高弾性率化
1.2.2 PAN系CFの性能向上工程
1.2.3 PAN系CFの強度向上
1.2.4 PAN系CFの弾性率向上
1.2.5 PAN系CFの圧縮強度向上
1.2.6 PAN系CFの表面改質
1.2.7 高次加工性の改良

2. ピッチ系炭素繊維
2.1 はじめに
2.2 ピッチ系炭素繊維の特性と構造
2.3 メソフェーズピッチ系炭素繊維の性能改善
2.4 低弾性率ピッチ炭素繊維
2.5 おわりに

3. 活性炭素繊維
3.1 活性炭素繊維の特性
3.2 ACFの製造
3.3 構造的特性
3.4 吸脱着特性
3.5 応用技術
3.5.1 浄水関係
3.5.2 空気の清浄化(タバコ臭の除去)
3.5.3 有機溶剤の回収
3.5.4 NOx、SOx、オゾンの除去
3.6 その他の利用
3.6.1 生理用品への応用
3.6.2 除湿
3.6.3 防炎(防毒)用マスク
3.6.4 その他

4. ナノ炭素繊維
4.1 はじめに
4.2 ナノ炭素繊維の合成方法
4.3 おわりに

5. ナノ炭素繊維充填複合材
5.1 はじめに
5.2 ナノ炭素繊維充填複合材
5.3 国内外の開発の動き
5.3.1 国内
5.3.2 海外
5.4 現状の課題と今後の開発
5.4.1 分散
5.4.2 密着性
5.4.3 価格
5.5 おわりに

6. ハイブリッド材料
6.1 ハイブリッド効果の研究例
6.2 有機スーパー繊維(PBO繊維)とCFのハイブリッド材

第6章 マトリックス(母材)の最先端技術
1. マトリックス樹脂との複合化技術
1.1 プリプレグ
1.2 プリミックス
(1) プリミックス
(2) BMC
(3) SMC
1.3 CF熱可塑性樹脂コンパウンド(ペレット)
(1) ペレットの種類
(2) CFRTPの特徴

2. CFRP用マトリックス樹脂の先端技術
2.1 エポキシ樹脂
2.2 低温硬化・耐熱性エポキシ樹脂先端技術
2.3 自動車部材RTM成形用エポキシ樹脂(ハイサイクル成形樹脂)
2.4 カーボンナノファイバー配合エポキシ樹脂
2.5 ビニルエステル樹脂
2.6 フェノール樹脂
2.7 耐熱性樹脂(ポリイミド他)

3. 熱可塑性樹脂系複合材料の先端技術
3.1 はじめに
3.2 長繊維強化熱可塑性プラスチック(LFT、Long Fiber Reinforced Thermoplastics)
3.2.1 LCFTP
3.2.2 LFT-D-ILC
3.3 CF連続繊維・熱可塑性樹脂複合材料
3.3.1 炭素連続繊維・熱可塑性樹脂複合材料が注目される背景
3.3.2 熱可塑性樹脂の分類
3.3.3 繊維・樹脂複合化方法・中間材形成の含浸方法
3.3.4 炭素連続繊維・熱可塑性樹脂複合材料の性能
3.3.5 炭素連続繊維・熱可塑性樹脂の開発例

4. 炭素系複合材料(C/Cコンポジット)

4.1 はじめに
4.2 C/Cコンポジットの製造法
(1) 樹脂含浸法(レジン・チャー法)
(2) CVD法(化学気相蒸着法)
4.3 C/Cコンポジットの特性値の限界
4.4 C/Cコンポジットのせん断強度の向上
4.5 耐酸化性の向上
(1) 沃素による前駆体のアロイング
(2) ヘテロアトムによるアロイング
4.6 C/Cコンポジットの特性と用途
(1) 機械的特性
(2) 化学的特性
(3) 用途

第7章 複合材料の成形加工先端技術
1. 成形加工技術の進化
1.1 はじめに
1.2 オートクレーブ成形の進化
1.2.1 オートクレーブ成形における一体成形技術
1.2.2 プリプレグ積層工程の自動化
1.2.3 オートクレーブ成形のスマート化
1.3 先進オーブン成形技術
1.4 RTM成形技術の進化
1.4.1 高速成形技術―ハイサイクル一体成形技術
1.4.2 大型バキューム・インフュージョン成形(VIP;Vacuum Infusion Process)
1.4.3 レジンインフュージョン成形
1.4.4 耐熱性の向上したアドバンスドRTM成形
1.4.5 RTMコボンド一体成形
1.5 高速引き抜き成形
1.5.1 引き抜き成形の生産性向上
1.5.2 熱可塑性樹脂を用いた引き抜き成形
1.5.3 先進引き抜き成形(ADP法;Advanced Pultrusion Process、ジャムコ)
1.6 高速FW成形
1.6.1 FW成形品硬化の高効率化
1.6.2 FW成形におけるドライワインディング
1.7 SMC、BMC成形
1.8 非加熱成形技術
1.9 ACM熱成形システム

2. FW、RTM、VaRTMの水溶性ツール成形プロセス
2.1 背景
2.2 環境に優しい複合材用水溶性Tooling材料
2.3 水溶性Tooling材料の特性値
2.4 Aqua-水溶性Tooling材料を用いた製作例

3. 成形技術・中間材の最適化(1)
3.1 UDプリプレグシート(UD Prepreg Sheet)
3.2 織物(Woven Fabric)
3.3 三軸織物(Tri-axial Woven Fabric)
3.4 多軸補強シート(Multi-axial Sheet)
3.5 組物(Braid)

4. 成形技術・中間材の最適化(2)
4.1 多軸たて編物(MWK)
4.2 多軸非クリンプファブリックの低コスト織製とVARTM処理事例
4.2.1 ワープユニット(経て編み)非クリンプ・スティッチ結合材料の開発
4.2.2 ワープユニット(経て編み)非クリンプ・多軸ファブリック
4.2.3 スティッチボンドドライ炭素繊維ファブリックプリフォーム
4.2.4 プリフォーム用非クリンプスティッチ結合ファブリック
4.2.5 RFI工程に用いるプリフォーム樹脂含浸
4.2.6 RFIプロセス
4.2.7 NASA-マクドネル・ダグラスのコンポジット翼のプログラム概要
4.2.8 樹脂とプロセスの開発
4.2.9 まとめ

第8章 炭素繊維・複合材料の用途・分野別先端技術
1. CFRP用途分野の俯瞰

2. スポーツ・レジャー分野
2.1 釣竿
2.2 ゴルフシャフト
2.2.1 ピッチ系低弾性率CFを用いたハイブリッドCFRPゴルフシャフト開発
2.3 ゴルフヘッド
2.4 テニスラケット
2.5 その他のスポーツ用品

3. 航空宇宙分野
3.1 はじめに
3.2 航空機への先進複合材適用の現状
3.3 ロケット・人工衛星へのCFRP適用の現状
3.4 CFRPの研究開発の方向に関する展望
3.5 CFRPの最新技術に関するJAXA先進複合材評価技術開発センターの成果
3.6 おわりに

4. 電子・電気・通信分野
4.1 はじめに
4.2 衛星構体
4.3 光学センサ及び宇宙望遠鏡
4.4 通信アンテナ
4.5 地上用途の広がりについて

5. 一般産業分野
5.1 輸送系・大型主構造用途
5.1.1 はじめに
5.1.2 アメリカズ・カップ艇
5.1.3 HOPE-X全CF複合材実大構造試験モデル
5.1.4 万博新交通システム
5.1.5 おわりに

5.2 レーシングカー・自動車
5.2.1 レーシングカー
(1) 概況
(2) コンポジット材料適用の歴史
(3) 現在の適用状況
(4) コンポジット化が進んだ要因
(5) コンポジット化がもたらした効果
(6) 適用の事例と基本構造
(7) 安全性向上への寄与
5.2.2 自動車
(1) 概況
(2) 適用の効果と問題点
(3) 材料と成形方法
(4) 適用および研究事例
(5) 今後の展望

5.3 土木・建築用途
5.3.1 鉄筋あるいは緊張材代替
5.3.2 既存構造物の補修・補強
5.3.3 鋼材(形材)代替

5.4 マリーン・船舶用途
5.4.1 マリーンボート用途
(1) 材料と成形技術
(2) マリーン艦船の材料と成形技術
(3) FRP化対象となる艦船および加工技術
5.4.2 マリーン構造物(Marine Structures)
(1) マリーン構造物の材料と加工技術
(2) マリーン構造物へのコンポジットの応用

6. エネルギー関連用途
6.1 風力発電
6.1.1 はじめに
6.1.2 風力発電ブレードの成形技術
(1) 風力発電機の概要
(2) 風力発電機のメーカー
(3) 風車タービンの成形法
(4) 各社製法の特徴
(5) 風力タービンへの炭素繊維の適用
6.1.3 日本設置の風力発電業界状況
6.2 海底油田
6.2.1 オフショア・オイル用途(海洋石油・ガス掘削関係)
(1) オフショア・オイル用途で使用される材料
(2) オフショア・オイル用途のCFRP応用部材
(3) CF需要の展望
6.3 フライホイールバッテリー
6.3.1 電力一時貯蔵技術
6.3.2 フライホイールバッテリーの開発状況
6.3.3 フライホイール市場規模を左右する要因
6.4 燃料電池の技術動向
6.4.1 燃料電池の種類
6.4.2 産業技術総合研究所の研究状況
6.4.3 燃料電池自動車の開発状況
6.4.4 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の開発事例
6.5 圧力容器
6.5.1 圧力容器の概要
6.5.2 FRP複合容器の構造
6.5.3 CNGタンク使用可能材料
6.5.4 自動車メーカーのCNGタンク採用の動き
6.5.5 CNGタンクのメーカー
(1) 海外からの輸入
(2) 国内メーカーと現在の状況
6.5.6 水素用FRP複合容器

7. 水質浄化と藻場形成
7.1 はじめに
7.2 池水浄化
(1) 宮城県登米市役所前の池
(2) 福島県白河市南湖
(3) 植物と炭素繊維とを用いた水質浄化
7.3 川口市旧芝川での河川浄化
7.4 水質浄化の仕組み
7.5 魚類に対する特異な挙動
7.6 藻場形成(榛名湖)
7.7 織物状水質浄化材および人工藻
7.8 今後の展開

8. その他分野
8.1 コンポジットロール
8.1.1 CFRPロールの特徴
8.1.2 CFRPロールの製造工程
8.1.3 ロール性能の評価
8.1.4 今後の市場
8.2 インテリジェントマテリアル
8.2.1 ヘルスモニタリング技術
8.2.2 スマートマニュファクチュアリング技術
8.2.3 アクティブ・アダプティブ技術
8.3 リサイクルの先端技術
8.3.1 CFRPリサイクルの概要
(1) 炭素繊維強化プラスチック粉砕物のリサイクル
(2) 超臨界水による繊維強化プラスチックのケミカルリサイクル技術
(3) 熱可塑性炭素繊維強化複合材料のリサイクル処理技術
(4) 常圧溶解法炭素繊維リサイクル技術
(5) 高温高圧処理による廃棄物の資源化技術の開発
(6) リサイクル視点から見た自動車用材料
8.3.2 自動車のLCAで見るリサイクルの効果

第9章 ピッチ系炭素繊維の用途分野
1. はじめに
2. ピッチ系炭素繊維の特性
3. ピッチ系炭素繊維の用途
3.1 機械特性を利用した分野
(1) 産業部材
(2) 土木分野
(3) 人工衛星分野
(4) スポーツ分野
3.2 機能特性を利用した分野
(1) 高熱伝導率用途(放熱用途)
(2) 等方性ピッチ系炭素繊維の用途
(3) カーボン/カーボン(C/C)コンポジット用途
4. おわりに

第10章 炭素繊維・複合材料の今後の展望
1. CF・複合材料メーカーの現状と動向
1.1 PAN系CFメーカー
1.2 ピッチ系CFメーカー
1.2.1 ピッチ系CFメーカーと生産能力
2. 炭素繊維・複合材料関連公開特許の状況
2.1 概況
2.2 CFメーカー別開発動向
3. 炭素繊維・複合材料の今後の展望
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