成果報告書詳細
管理番号20130000000767
タイトル平成20年度-平成24年度成果報告書 サステナブルハイパーコンポジット技術の開発
公開日2013/10/1
報告書年度2008 - 2012
委託先名国立大学法人東京大学 三菱レイヨン株式会社 東洋紡株式会社 東レ株式会社 株式会社タカギセイコー
プロジェクト番号P08024
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約 平成20年度から平成24年度にかけて、炭素繊維強化熱可塑性樹脂(CFRTP)の自動車構造部材への適用可能性を見極めるために、東京大学、東レ(株)、三菱レイヨン(株)、東洋紡(株)、(株)タカギセイコーで検討を行ってきた。本プロジェクトでは、これまで材料開発に片寄りがちであった日本の技術開発に鑑みて、材料開発のみならず、実用化を見据えた成形加工技術、接合技術、リサイクル技術にも焦点を当てて取り組んだ。その結果、CFRTPの超軽量性を活かして革新的な中間基材を開発し、その中間基材の性能を十分に活用できる高速成形技術を開発した。また、同種/異種材料との接合技術の開発を行うとともに、性能低下が生じにくいリサイクル技術のプロセスも構築した。これらの技術構築の結果として、自動車構造用鋼材と比較して、部材軽量化の可能性を見出した。
 なお、本プロジェクトの期間中、有識者による技術推進委員会および研究推進委員会から、実用化に当たっては、各種環境下での材料物性や成形加工のデータベース、さらに、成形時の流動解析や、部材設計に寄与する構造解析技術の必要性について意見があり、この構築の検討も併せて行った。
 本プロジェクトの概要を以下に記す。
研究開発項目(1)「易加工性CFRTP中間基材の開発」
・等方性CFRTP中間基材として、樹脂設計、炭素繊維/マトリックス樹脂界面設計、不連続繊維による補強性能予測等の技術を開発し、曲げ強度400MPa以上を達成した。また、炭素繊維単繊維の等方均一分散技術により、曲げ強度の変動係数5.0%以下を達成した。
・一方向性CFRTP中間基材として一方向材(UD材)、ランダム材、ハイブリッド材を開発した。UD材で繊維方向曲げ強度1600MPa以上、繊維直角方向曲げ度120MPa以上を達成した。
研究開発項目(2)「易加工性CFRTPの成形技術の開発」
・等方性中間基材において、基材設計・基材加熱条件・成形条件等を検討することで、スタンピング成形における金型占有時間90秒以下を、複雑要素形状モデル部材で達成した。
・一方向性中間基材として基材加熱条件・金型温度・成形圧力のプロセスウインドーを明確化することで、スタンピング成形において、金型占有時間2分以内を達成した。また、内圧成形でも、電磁誘導加熱制御システムの導入、成形条件最適化等により、金型占有時間7分以内を達成した。
研究開発項目(3)「易加工性CFRTPの接合技術の開発」
・CFRTP同士の接合として材料特性と接合強度の相関の確認、熱融着方式に関して熱板、振動、超音波接合の可能性を検証し各手法の特性を確認した結果、接合強度90%以上を満足する設計指針を得た。さらに、異材接合に関しては、ボルト締結による基本特性の確認から基本的な設計指針を得た。
研究開発項目(4)「易加工性CFRTPのリサイクル技術の開発」
・インプラントCFRTP廃材の粉砕リサイクル技術として、再ペレタイズを行わずに直接射出成形を行う方式を開発した。さらに、リサイクル材とフレッシュ材のハイブリッドリサイクル技術を構築し、参照強度90%以上保持が可能になった。リペアは要素技術を構築し、品質保証(標準化)適用できる見通しを示すに至った。
英文要約Japanese National Project to Develop CFRTP for Mass Production Automobile
  To realize ultra-lightweight mass production automobile by CFRP (carbon fiber reinforced plastics), we have to solve the problems concerning manufacturing, recycling, etc. In this paper, we will introduce
Japanese national project to solve these problems by using CFRTP (carbon fiber reinforced thermoplastics).
Organization and Developing Technologies in the Project
  This project was established based on "Carbon Fiber Strategy" by the METI in 2007, and following technologies have been under development between 2008 and 2012 fiscal year.
1. CF/PP and CF/PA prepregs
> surface treated CF and modified TPs
> continuous and discontinuous CF reinforced fully resin impregnated prepregs
2. High cycle molding
> press molding
> bladder molding
3. Jointing
> between CFRTP
> between metal and CFRTP
4. Repair and recycling
Under the management of NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization), the University of Tokyo has been responsible for research governing, and four
companies, Toray Industries, Inc., Mitsubishi Rayon Co., Ltd., Toyobo Co., Ltd. and Takagi Seiko Co., have conducted research and development.
Developing Prepregs and High Cycle Molding
 Since adhesion between PP and CF is poor, both CF and PP were modified first to obtain CF/PP of high mechanical properties. Then the next challenge was the impregnation of PP into CFs. This project
has been developing two types of CFRTP prepregs for high cycle molding. One is discontinuous CF reinforced isotropic prepreg for panel and complex shape parts, the other is continuous CF reinforced
prepreg for primary structural parts such as frame.
Characteristic of Developing CFRTP
 The most notable feature of developing CFRTP is its fracture process without large delamination.
Because of the ductile fracture process, energy absorption capacity of developing CFRTP is almost the same level of steel. If the fracture resistance is sufficient, strength of CFRP is not so severe criterion in
case of automobile. Therefore, CF produced from various precursors (not only PAN) can be used in automobiles.
 Interesting feature of developing CFRTP appears also in jointing. That is, strength of welded section becomes higher than that of base material. It may be because the CF volume fraction of welded
section becomes higher than that of base material, and then fiber tangles at welded section. The mechanism of repairing is similar to that of welding joint. During the repairing process, the local plastic
deformation zone is melted by heating, and consequently fiber reinforcement mechanism is likely to recover.
 Finally, concerning recycling in the era of mass production, considering the mass balance of constitutive materials of automobile and the variations in performance of market waste, the hybrid
recycling may be the most promising technique because the recycled parts by this method shows the same performances as those of virgin materials.
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