航空機の軽量化を支える炭素繊維複合材料

シリーズ GSC
低炭素・循環型社会を先導する GSC
航空機の軽量化を支える炭素繊維複合材料
KITANO Akihiko
北野彰彦
東レ（株）複合材料研究所所長
「軽くて強い」炭素繊維複合材料は，環境・資源問題への関心の高まりから，航空機構造の標準材料としての
地位を築きつつある。思えば，ライト兄弟が人類ではじめて動力飛行に成功した「フライヤー」号の主構造は，
木製の骨組みに麻布を貼り，硫酸セルロースを塗った複合材料でできていた。その後，金属構造が主流となった
が，歴史的な変遷を経て，航空機構造は繊維強化複合材料に回帰したとみることができる。ここでは，日本発・
世界シェア 70% の炭素繊維を使った炭素繊維複合材料について，その特徴を中心に紹介する。
ようになる。
1 はじめに
本章では，軽くて強い「炭素繊維」の開発の歴史（正確
2009 年，ボーイング社の次世代中型旅客機「787」が初
には，日本発であるポリアクリロニトリル（PAN）系炭
飛行し，地元メディアは『プラスチック製航空機時代の幕
素繊維の歩み）を辿りながら，その魅力と今後の展望につ
開け』と報道した。
「787」の機体重量の半分は炭素繊維と
いて概説する。炭素繊維の強さの限界（理論値）は，現在
樹脂で構成された炭素繊維複合材料（CFRP : Carbon Fi-
達成されている強さの 10 倍以上と推定されており，近い
ber Reinforced Plastic）でできている 1, 2）。
将来さらに性能向上が期待できる材料である。
従来のアルミニウム製航空機に比べ，燃費は 20% も改
2 炭素繊維は日本発
善された環境に優しい航空機である。環境，資源問題への
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関心が日増しに高まる状況にあって，今後 CFRP は，航
炭素繊維の発明は，19 世紀末に京都の竹を焼いて白熱
空機の標準材料になると考えられている。
電球のフィラメントに利用した発明王エジソンに遡ると言
さらに，CFRP には金属より耐久性に優れ（疲労しにく
われることがあるが，それは発熱・発光体として利用でき
い），錆びない（湿度に強い）という特長があるため，機
る程度の弱くて脆い繊維状の炭素材料であった（ISO 定義
体の窓を大きくしたり，上空での機内圧力や湿度を地上並
は，
「有機物をプリカーサーとし，熱処理によって炭素
に設定することが可能で，より快適なフライトが楽しめる
90% 以上からなる繊維」である 3））
。
図 1 PAN 系炭素繊維の需要推移。
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―持続可能な社会を目指す化学技術の過去・現在・未来―
宇宙開発競争が激化し始める 1950 年代にはレーヨンを
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は CFRP の特性を左右する重要な設計要素となっている。
原料とする炭素繊維が米国で製造されたが，ロケットのノ
ズルコーンなど耐熱材料であり，航空機の構造材に使える
強度はなかった。
航空機に使う「軽くて強い炭素繊維」の発明者は，大阪
工業試験場の進藤昭男氏である。1959 年にアクリル繊維
を出発原料とすることで，軽くて強い「炭素繊維」が製造
できることを世界で初めて見いだした。
（厳密には PAN
系炭素繊維と呼ぶが，本稿では単に「炭素繊維」と呼ぶ。
）
進藤氏によると「何か工業化につながるような良い研究の
テーマはないものか，との思いが日頃頭から離れることは
なかった。」4）とのことで，日頃の心構えが大発明につな
がったことを教えてくれる。
1960 年代の日本は，ナイロンなど合成繊維産業が全盛
期であり，アクリル繊維を製造する日本の繊維会社が 1970
年代に工業化に成功した。宇宙開発をリードしたい欧米と
の性能向上競争も制して，2007 年の時点で日本は，世界
の炭素繊維市場の 70% を独占するに至った。軽くて強い
「炭素繊維」は，日本生まれ，日本育ちの材料である。
図 3 炭素繊維複合材料（炭素繊維と樹脂の複合化）
。
航空機部材は，プリプレグと呼ばれる中間基材を経由し
て製造する。プリプレグは，多数の炭素繊維束（炭素繊維
を 3000 本から 24000 本束にした物をトウと呼ぶ）を平行
に並べたものに，未硬化のエポキシ樹脂を含浸させた粘着
性のある薄くて（厚さは約 0.2 mm）
，柔軟なシートであ
る。このプリプレグを多数積層したものを，オートクレー
樹脂を硬化させて部材を成形する（図 4）。プリプレグに
は異方性（繊維方向と非繊維方向で物性が大きく異なる）
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ブ（オーブンのような装置）内で加熱・加圧してエポキシ
があり，プリプレグを積層した部材は，バームクーヘンに
似た積層構造である。CFRP を使いこなすには，異方性の
層からなる積層構造（層と層の間に層間と呼ぶ界面があ
る）であることを理解しておくことが重要である 5）。
図 2 炭素繊維のバリエーションと強度・弾性率。
3 炭素繊維強化複合材料
複合材料とは「二種以上の単一材料を組み合わせた材料
であって，各単一材料より優れた特長を持つ材料」と定義さ
れている。炭素繊維複合材料（CFRP）は，炭素繊維と樹脂
（主にエポキシ樹脂）
を複合化した不均質材料である
（図 2）
。
炭素繊維は単独では柔軟な糸であり圧縮荷重の負担能力
はない。しかし，炭素繊維を樹脂と複合化（包む）ことで
圧縮荷重を支えることができ，構造材として成立する。
航空機用 CFRP では，樹脂は全体の体積の約 40% を占
めており，弾性率（剛性）が高く，熱収縮・硬化収縮が小
図 4 航空機部材の製造方法（プリプレグ成形）
。
さく，炭素繊維との接着性に優れるエポキシ樹脂が用いら
4 炭素繊維複合材料の特徴
れている。
また，炭素繊維の単繊維径は約 5 μm であり，1 cm 3 の
CFRP は，炭素繊維と樹脂の特徴を受け継ぎ，以下の特
CFRP 中には約 5000 cm 2 もの界面が含まれるため，界面
徴がある 6）。
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①比強度（強度／比重）
，比弾性率（弾性率／比重）が大
きい
といえる。図 7 には，プリプレグ 2 枚を直交に（繊維の
方向が直角となるように）積層した CFRP 板が，応力と
②疲労強度に優れる
温度変化で面外変形する（反る）ケースを示す。必要な方
③熱膨張係数が小さい（0∼0.1×10 −6／K）ため，寸法安
向に必要な量の炭素繊維を配向させることで，無駄のな
定性が良い
い，より軽量で，省材料の部材が実現できる。CFRP の最
④錆びない
大の特徴は，構造設計と同時に材料設計も可能なことであ
⑤導電性（15∼5 Ωm）がある
る。逆に言えば，構造設計時に材料設計もしなくてはなら
比強度とは，強度を比重（密度）で割った値であり，物
ないため，テーラーメード材と呼ばれている（図 8）。
理的には，自分で自分の重さを支えられる最大長さを示
す。CFRP の比重は約 1.6 であり，極めて大きな軽量化効
果を持っている（図 5）
。
図 7 異方性プリプレグ積層板の変形。
図 5 各種材料の比強度と比弾性率。
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円い孔を空けた板材の引張―引張疲労特性を図 6 に示
します。CFRP は不均質材料特有の亀裂進展抑制効果も
あって，極めて高い疲労強度を有している。航空機構造体
の歴史は疲労と腐食との戦いと言っても過言ではなく，
CFRP は信頼性の高い材料といえる。
図 8 CFRP の特徴：テーラーメード材料。
5 航空機の LCA
航空機への複合材料適用の歴史を図 9 に示す。環境負
荷低減が優先課題となっている民間機において最も重要な
のは，燃費の改善による省エネルギー化と CO 2 排出量の
図 6 円孔を有する板材の引張―疲労特性。
削減である。製品寿命全体を通して，どれだけの CO 2 排
出がなされるかを評価する LCA（Life Cycle Assess-
また，航空機は地上と上空（外気温−55℃）を数分で上
ment）が重要視されている。
昇・降下するために結露が発生するが，「錆びない」特長
ボーイング 767 サイズの民間ジェット機を標準的に国内
は，航空機内の湿度を高く快適にできるメリットになる。
運行する場合，機体素材の製造から機体の廃棄に至るまで
CFRP の厄介な特徴は，異方性と積層構造で，金属材料
の総 CO 2 排出量のうち，運用中に排出される割合は実に
（等方性）に馴れ親しんだ技術者には敬遠されがちな側面
99% を占める。航空機炭素繊維協会の試算 7）によれば，
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図 9 航空機への複合材料適用の歴史。
CFRP を機体構造重量の 50% に適用し，従来機対比 20%
ブンで加熱して樹脂を硬化させる。予め脱気した低粘度合
の軽量化を見込むボーイング 787 の国内運行をモデルとし
いの樹脂を真空中で供給するので，オートクレーブと違い
た場合，図 10 に示すとおり，1 機あたり年間で 2700 トン
加圧は不要である。しかし，VaRTM 法では，炭素繊維基
の CO 2 削減効果が期待できる。国内ジェット旅客機全て
材を樹脂のない状態（ドライ状態）で積層するために，繊
が同様の軽量機体となった場合，年間 120 万トンの CO 2
維の真直性が出しやすいプリプレグに対して CFRP の力
削減が可能といわれている。
学的な特性が劣るのが一般的である。現在，この課題を克
服する VaRTM 成型法の改良が進められている。
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図 11 VaRTM 成形法。
7 おわりに
軽くて強い炭素繊維複合材料は大型航空機の標準材料に
なりつつある。炭素繊維は日本企業が世界をリードしてお
り，この分野で産官学連携して取り組めば，国際標準化を
図 10 航空機の LCA（炭素繊維協会モデル 7））。
含め世界をリードする技術体系を構築することが可能と考
えられる。
6 今後の課題
参考文献
環境素材である CFRP を普及させて「省エネ効果」を
増大させるためには，CFRP の生産性向上が課題となって
いる。航空機の場合，プリプレグを自動機で積層している
が，プリプレグを経由せずに部材を直接成形する VaRTM
法（Vacuum─assisted Resin Transfer Molding）が注目
されている。
1） D. Hull，複合材料入門，宮入裕夫，池上皓三，金原勲訳，培風館，
1984．
2） A. Kelly，複合材料，村上陽太郎訳，丸善，1971．
3）大谷杉郎，奥田謙介，松田滋，炭素繊維，近代編集社，1986．
4）進藤昭男，セラミックス 1986，，941．
5）複合材料工学，林毅編，日科技連出版社，1971．
6）野口健一，繊維学会誌 1990，，54．
7）高橋淳，第 22 回複合材料セミナー，2009．
VaRTM 法では，炭素繊維基材に樹脂を含浸せずにその
まま積層し，バッグフィルムで覆い真空引きしたものに液
［連絡先］791─3193 愛媛県伊予郡松前町筒井 1515（勤務先）
。
状の樹脂を注入する。樹脂が行き渡った後に，全体をオー
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