今と昔の自動車へCFRPを利用するための取り組み

自動車に限らず製造関係の方であれば、CFRPについて知っている方も多いかもしれません。自動車にどのように使われているか説明する前に、まずはCFRPの特徴と使用例の一部をご紹介します。

CFRPとはCarbon Fiber Reinforced Plasticsの各頭文字を並べた略称であり、日本語訳は炭素繊維強化プラスチックです。一般構造用圧延鋼材であるSS400と比べると比重量は1/4以下と軽く、比強度で見ると鉄よりもおよそ10倍強い材料です。また、加工による熱膨張を起こしにくいことから寸法精度もよく、振動減衰性にも優れています。さらに高熱伝導率であり非磁性と、材料として使うにはとても優秀な材質です。

CFRPとは名前の通り、炭素繊維とプラスチック樹脂を複合させることで製造します。炭素繊維単体でも強度が高く、軽い材質です。しかし、構造が糸束であることから炭素繊維単体ではその機能や性能を十分に発揮することができません。そこでプラスチックとミクロでつなげることにより、CFRPという軽くて強い材料の製造が可能となるのです。

CFRPは軽くて強い材料特性を生かし、強度が必要なさまざまな箇所に使用されています。

強度が必要かつ軽くなくてはいけない分野といえば、航空宇宙分野でしょう。そのため、航空機の主翼や尾翼、胴体のほかに、ロケットや人工衛星にも使われているのです。また、建築土木分野でも橋脚や床版などのコンクリート補強や、ケーブルにも採用されています。

CFRPは私たちの身近にも多く存在しています。スポーツの分野においても軽さと強度は必要とされ、釣り竿やゴルフシャフト、自転車などに使われています。そのほか、車いすやつえ、人口骨などの医療分野、プリンターやオーディオなどの電気機器部品、さらには傘や眼鏡のような日用品と使用範囲はとても広いです。

ご紹介した通りCFRPは軽くて強く、そのほかにも優れた特性を持つ材質です。しかし、自動車に関してはF1カーや超高級車、または一部の部品にのみと、そこまで多用されているわけではありません。その理由がコストの高さにあります。

CFRPは重量当たりのコストが鉄鋼と比較すると非常に高価で、数～十倍ともいわれます。

製造方法は手によるハンドレイアップ法、高温高圧力によるオートクレーブ法、Resin Transfer Molding法とさまざまな手法が確立されています。しかしどの手法も時間のかかる手法であり、鉄に比べるとより多くの生産時間を必要とされます。

また、CFRPの炭素繊維は元の原材料に戻すことが金属材料に比べると難しく、リサイクル性も悪いのが欠点です。

そのためCFRPは大量生産に向いていないことから一般的な自動車へは利用されず、コストをある程度許容できるF1カーや超高級車にしか利用されてきませんでした。

大量生産される自動車に対しあまり利用されてこなかったCFRPですが、近年の自動車の軽量化への取り組みと技術の進歩に伴いボディやその他の部分への利用も増えてきています。本章ではその一部をご紹介します。

量産車としては初めてCFRPがボディに採用され、車両重量を1,300kgにまで軽量化しています。CFRPを生産プロセスへ再利用することを可能にしており、使用されている素材のうち95%ほどをリサイクルしています。

2010年から2012年に限定販売されたレクサスのスポーツカーLFAにもCFRPが採用されています。ボディの65%のCFRPを採用しており、車両重量を1,480kgに抑えることに成功しています。

トヨタで製造されているFCV（燃料電池車）であるMIRAIは構造部品にCFRPを採用しました。高圧水素タンクという燃料電池車の心臓部といえる部品にCFRPを用いています。燃料である水素は原子の径が小さいことから、金属材料では水素を通してしまう、または金属を劣化させてしまう恐れがあります。そのため、樹脂材料かつ高強度であるCFRPが最適といえるのです。

高価格であることから自動車への利用を控えられてきたCFRPですが、生産技術の発展により利用の幅が広がってきています。自動車の低燃費化実現のため、CFRPの研究開発はこれからも続けられていくでしょう。CFRPの自動車への利用が一般的になれば、軽量化により低燃費になり私たち利用者の負担が小さくなります。さらに強度も高いので、安全性も高くなるでしょう。

自動車は私たちの生活には欠かすことができなくない存在です。CFRPの利用が進むことは、必ず私たちにも大きな利益をもたらすことになるでしょう。