発表 - 高橋

2
アジェンダ
Ⅰ．研究背景・内容
超軽量量産車実現のための
リサイクラブル複合材料の開発と評価
Ⅱ．材料成形方法
Ⅲ．試験結果・考察
指導教官：高橋淳助教授
学籍番号：30739
氏名：塩澤大
Ⅳ．結言
4
研究背景・内容
部門別最終エネルギー消費
部門別最終エネルギー消費
300
運輸(旅客)
1973年比(%)
Ⅰ．研究背景・内容
250
民生(家庭)
200
民生(業務)
運輸(貨物)
非製造業(産業)
製造業(産業)
非エネルギー
150
100
50
0
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
年
出典：EDMC
エネルギー消費、CO2排出を減らすには、運輸部門の
伸びを抑えることが重要。
1
輸送機関別エネルギー消費推移、CO2排出割合 5
輸送機関別エネルギー消費
(1012kcal)
600
輸送機関別CO２排出割合
Fuel efficiency (L/km)
消費エネルギー
鉄道
自動車
航空
88.0
海運
100
0
1965
内航海運
自動車
200
70
75
80
85
90
95
車体重量と燃費はほ
ぼ比例関係。つまり車
体を半分に軽量化す
ると燃費は2倍に
0.18
5.8
400
0.2
鉄道5.8
航空 3.4
85.4%
500
300
6
軽量化による燃費向上
00 年度
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
出典：EDMC
0.02
0
0
自動車の燃費改善が緊急課題
σf/ρ
1000
1500
2000
2500
Vehicle weight (kg)
7
軽量化素材
比強度
500
比強度比剛性比較
軽量化が
省エネ、CO２削減
に有効！
8
CFRTSの長所
軽量（密度：1.4 Mg/m3：鉄鋼の5分の1以下）
CFRTS
高強度（ 700 MPa ）
比強度：47
鉄の9倍
高剛性（ 46 GPa ）
比剛性：0.22
鉄の3倍
40
30
チタン
軽量化素材として
鉄鋼
アルミニウム
CFRTS（Carbon Fiber Reinforced Thermo10 Setting Resin）：炭素繊維強化熱硬化性樹脂
GFRP
が優れている！
マグネシウム
20
0.1
0.2
比剛性
3√E/ρ
出典：Boeing社
出典：JAXA
出典：Olympus社
2
CFRTSの問題点
値段が高い
リサイクルが難しい
成形に時間がかかる
9
CFRTPの研究課題
10
① ＣＦＲTＰ連続繊維の量産化研究
② ①の長寿命化（Reuse,Reduce）としてリペ
ア・品質保証の研究
③ ①のRecycle後の品質向上の研究
量産車には不向き
安価で迅速な生産ができ、リサイクル性に優れた
CFRTP：炭素繊維強化熱可塑性樹脂
本研究では③を扱った
が注目される
RecycledCFRTPについて
11
短繊維ランダム配向CFRPPの問題点
12
研究対象とした材料
炭素繊維：２種類
①使用済みCFRTSを破砕してCFを取り出したもの
②未使用の炭素繊維を6mmに切断したもの
樹脂
安価で安定した大量生産が可能。
リサイクル実績が豊富である。
→PP(ポリプロピレン)を使用。
→短繊維ランダム配向CFRPP（以下、ランダム材）
CFとPPの界面接着性が悪く、繊維束に対する含浸性も
悪い。
→強度、剛性の発現率が低い
破壊が脆性的で吸収エネルギーが小さい
ランダム材を補強することが必要
以下、①をCFRP/PP ②CFRPPとする
3
13
研究背景・内容
研究背景のまとめ
自動車用軽量新素材であるCFRTPの開発が急務
とされているが強度・剛性の発現が低く、吸収エネ
ルギーが小さい。
Ⅱ．材料成形方法
そこで本研究では、PPをマトリックスに用いたCFRPP
（炭素繊維強化ポリプロピレン）のランダム配向材の補
強方法を開発することにより、リサイクル可能な量産車
※
用超軽量素材の実現を目的とした。
※目標値として曲げ弾性率20GPa、曲げ強度200MPaを設定した。
15
補強コンセプト
16
模式図
ランダム材
25mm
100mm
外側から亀裂が入る
剛性・強度発現率の弱いランダム材を中間層にし、その表
面に発現率のよい一方向シートを貼りつけることで強化。
2mm
ランダム材：弱い
一方向シート：強い
シート厚：0.2mm
補強タイプ： ①両面 ②片面（引張側） ③補強なし
4
Ⅱ
ランダム材
の作成
Ⅳ
一方向シート
の貼り付け
Ⅴ
準備
サイズ加工
加熱
成形
成形温度：230℃
ボイド抜き
加圧方法：
段階加圧法
5MPa 10MPa 20MPa 35MPa
：1分ずつ
冷却：水冷による急冷
アニーリング：120℃で60分
Ⅲ
一方向シート
の作製
加圧
冷却
アニー
リング
40
250
35
Pressure, MPa
Ｉ
材料の混練
18
Ⅱ.ランダム材の成形方法
200
30
25
150
20
100
15
10
50
5
0
Temperature, degree
17
材料成形方法
0
0
10
アルミ板
上板・下板
20
30
40
50
60
Processing Time, min
70
80
中枠
ホットプレス機
Ⅲ．一方向シートの成形方法
準備
成形
冷却
使用機器：ホットプレス機
ボイド抜き
成形温度：230℃
加圧方法：
段階加圧法
5MPa 10MPa 20MPa 35MPa
：１分ずつ
冷却方式：水冷による急冷
アニーリング：120℃で60分
アニー
リング
19
Ⅳ．一方向シートとランダム材の貼り付け方法 20
準備
加熱
加圧
冷却
使用機器：ホットプレス機
成形温度：200℃
加圧方法：15MPa 10分間
冷却方式：水冷による急冷
5
22
試験方法
３点曲げ試験にて評価を
行った。
Ⅲ．結果・考察
5 mm／min
• 支持スパン：80mm
• クロスヘッドスピード
：5mm/min
80mm
23
荷重-変位曲線
300
Typical Expermental Data and Theory
Reinforcement of CFRP/PP
250
CFRPP
Load,N
Reinforcement of CF/PP
250
Experiment (DSR)
Experiment (SSR)
Experiment (N/R)
Theory (DSR)
Theory (SSR)
Theory (N/R)
200
曲げ弾性率
45
150
100
100
50
50
0
0
0
2
4
6
8
10
Displacement,mm
12
14
16
Experiment (DSR)
Experiment (SSR)
Experiment (N/R)
Theory (DDR)
Theory (SSR)
Theory (N/R)
0
2
4
6
8
10
12
14
Displacement,mm
500
50
200
150
曲げ強度
Typical Expermental Data and Theory
Flexural modulus, GPa
300
16
40
35
450
CFRP/PP
CFRPP
Flexural strength, MPa
CFRP/PP
Load,N
24
曲げ弾性率・曲げ強度
30
25
20
15
ギー（グラフの下の面積）は数十倍のオーダーで拡大
350
CFRP/PP
CFRPP
300
250
200
150
10
100
5
50
0
破壊形態が脆性から延性へと変化し、ピーク荷重後の吸収エネル
400
0
NonReinforcemnt
Single-Side
Reinforcement
Double-side
Reinforcement
NonReinforcemnt
Single-Side
Reinforcement
Double-side
Reinforcement
両面補強では、曲げ弾性率、曲げ強度共に、目標値（20GPa、
200MPa）を越え、実用化に向けて大きく前進した。
6
25
破断面の観察
Load,N
26
物性MAP
Load,N
300
300
Typical Expermental Data and Theory
Reinforcement of CFRP/PP
250
200
200
150
150
Experiment (DSR)
Experiment (SSR)
Experiment (N/R)
Theory (DSR)
Theory (SSR)
Theory (N/R)
100
50
Reinforcement of CF/PP
σf/ρ
Experiment (DSR)
Experiment (SSR)
Experiment (N/R)
Theory (DDR)
Theory (SSR)
Theory (N/R)
100
40
リサイクル材においても剛性では
チタン
2
4
6
8
10
Displacement,mm
引張側
12
14
16
圧縮側
0
2
4
6
8
10
Displacement,mm
12
14
圧縮側
16
20
CFRTP
マグネシウム一方向/ランダムハイブ
リッド材
0
0
CFRTS
鉄やGFRP等に対して軽量化代替素
材として利用可能
30
50
0
比強度比剛性比較
比強度
Typical Expermental Data and Theory
250
鉄鋼
アルミニウム
10
本研究の補強
GFRP
0.1
CFRPPランダム材
0.2
CFRP/PPランダム材
考察・まとめ
比剛性
3√E/ρ
27
非常に薄いシートだけで、大きな補強効果が
ある。
→応力の最もかかる表面に、物性の高い一方
向シートを配したことが要因である。
両面補強と片面補強ともに、圧縮側シートか
ら破壊が起きた。
→圧縮側により強い補強をすることで強度およ
び吸収エネルギーの増加が期待される。
Ⅳ．結言
7
29
結言
結言
CFRPPランダム材と、CFRP/PPランダム材に、薄い一
方向シートを貼る簡便な手法を開発し、エネルギー吸
収、剛性、強度の向上に大きな効果があることを確認
した。
参考資料
本技術は、
・超軽量量産車の実現
・CFRTP及びCFRTSのリサイクル確立
に大きく寄与する技術である。
31
研究背景
地球温暖化の原因はCO２である
Degree of contribution to the global
warming of greenhouse gas in Japan
13.5
試験結果・考察
軽量自動車導入のシミュレーション結果(世界）
→CO2排出を2/3∼1/4に削減
■MA■
Degree of contribution to the global
warming of greenhouse gas in Japan
1.4
0.4
6000
1.3
リファレンスケース
楽観ケース
悲観ケース
5000
2.8
4000
6.2
32
Mtoe
1.7
車両軽量化による
省エネ効果
FCEVによる
省エネ効果
3000
2000
19.8
60.1
CO2
メタン
一酸化二窒素
フロン
その他
92.9
1000
0
2000
軽油ハイブリッ
ド車による省エ
2010
ネ効果
2020
2030
2040
2050
year
8
33
• ボイド抜きについて
• アニーリングについて
35
材料特性比較と軽量化率
Steel
Hightensile
steel
CF/EP CF/PP (Vf30%)
(Vf60%)
Virgin Recycle
Hybrid
7.8
7.8
1.53
1.16
1.16
1.16
Strength (MPa)
400
1470
700
230
130
200
Specific Strength
5.2
19.2
46.7
20.2
11.4
17.6
Young s
Modulus(GPa)
206
206
46
30
10.5
20
0.077
0.077
0.218
0.273
0.193
0.239
36
CFRPリサイクルの必要性
• ライフサイクル全体を通しての
環境負荷の低減
Density
Specific Stiffness
34
ボディ
450
素材製造
組立
走行
従来車
• CFRPによる鉄鋼部品の代
替
内外装
200
CFRP車
シャーシ
350
CFRP車
（３R）
0
20
40
60
80
エネルギー消費量(%)
素材製造段階での低コスト・省エネ化
100
エンジン他
250
電装他 100
従来車
1350kg
-30%
ボディ
225
内外装150
シャーシ
270
エンジン他
200
電装他 100
CFRP車945kg
（内CFRP約250kg）
自動車リサイクル法（リサイクル率95％）
への対応
9
評価方法
LCA
37
•目的
FEM解析で実証された軽量化効果によりどれだけ環境負荷を削減できるかを評価する。
•機能単位および基準フロー
乗車率30%、15年使用、43万キロ走行可能なバス1台
•システム境界
コスト
38
• 炭素繊維が1500∼2,000円/ｋg、
• 母材に樹脂としてよく使われるエポキシは汎用で450∼
480円/kg、複合材料用で2,000∼3,000円/kg
• PPは、円/kg
• 鉄鋼の材料費は450円/kg、アルミニウム800円/kg
素材製造段階、車体組立段階、走行段階
•環境負荷項目
エネルギー消費量
•素材製造原単位
Energy intensity(MJ/kg)
Steel
33
CFRP
232
•燃費
Steel製大型バス 2.34km/L を基準に車両重量から求めた
10

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