東レ「炭素繊維の歴史」

炭素繊維の歴史
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基礎研究が世界を変えた - 炭素繊維 ＊大阪工業試験所（現産業技術総合研究所関西センター）
炭素繊維本格研究開始（1961）
（千ﾄﾝ／年） １９６１年
100
大工試＊・進藤博士がＰＡＮ系
炭素繊維製造の基本原理を発表
１９７０年
炭
東レ、大工試・進藤博士の
80
素
特許実施許諾を取得
繊
維
の
世
界
市
場
ボーイング777一次構造材
の認定（1990）
60
ボーイング787プロジェクト
開始（2003）
ボーイング７３７二次構造材の採用（1975）
40
20
本格商業生産開始（大工試法）（1971）
釣り竿の採用（1972）
ゴルフクラブの採用（1973）
産業
航空宇宙
スポーツ
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 （年）
東レは炭素繊維の世界シェアの約４０％を占める（２０１０年度：当社推定）。
日本メーカー（東レ・東邦テナックス・三菱レイヨン）で世界シェアの約７０％を占める（同上）。
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「世界有力企業が夢に挑戦」→「日本企業が世界を制覇」
＜PAN系レギュラートゥ＊・タイプ＞
炭素繊維メーカー
の消長
参入企業
1970年
1975
1980
1985
1990
1995
東レ
東レ
日 東邦レーヨン
本 三菱レイヨン
東邦テナックス
三菱レイヨン
日本ｶｰﾎﾞﾝ/旭化成
Ｘ
Hercules（米）
その他
東レ
台湾プラスチック
Cytec
Hexcel
三菱レイヨン
東邦テナックス
＜高性能炭素繊維市場＞
日本メーカー：シェア７０％
（2010年度：東レ推定）
現社名
2000
Hexcel（米）
▼
Great Lakers/Akzo（米）
Ｘ
Ｘ
Celanese（米）/BASF（独）
欧 UCC/BP Amoco（米）
米 Grafil（米）
Ｘ
Courtaulds（英）
Ｘ
▼
Sigri/Hoechst（独）
Enka（独）/Akzo（蘭）
▼
Cytec（米）
SGL Carbon（独）
Ｘ
▼ ：買収による規模縮小
Ｘ ：撤退または売却
＊単糸が24,000本以下の糸束（トゥ）のこと。
日本企業が世界を
制覇した理由
１．欧米企業は技術革新競争で脱落
−航空機メーカーの高度な性能向上要求への対応−
２．長期間に亘る研究開発投資を継続
−経営の強固な意志−
３．日本政府からの継続的な支援
−20年以上に渡る研究開発支援−
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炭素繊維における極限追求
炭素繊維の性能向上と航空機への展開（ボーイング社の例）
引張強度
６
ＣＦ：Carbon Fiber
Ｔ８００Ｓ
Ｔ８００Ｈ
５
Ｔ３００
４
(GPa) ３
就航年
型 式
１９８２
Ｂ７６７
CF使用構造材種
二次構造体
使用されるＣＦ
CF使用量 / 機 （トン）
Ｔ３００Ｈ
１
炭素結晶
制御技術
次世代高性能
炭素繊維
繊維表面
制御技術
１９９６
Ｂ７７７
２００８
Ｂ７８７
一次構造体
二次構造体
Ｔ８００Ｈ
約７
一次構造体
二次構造体
Ｔ８００Ｓ
約３０（推定）
２０ＸＸ
製造プロセス と極限追求のための要素技術
耐炎化
炭化
表面
処理
炭素
繊維
引張強度
PAN 重合･製糸
8
新材料
（開発中）
6
(GPa) 4
ポリマー設計
繊維構造制御
欠陥抑制
結晶配向制御
表面制御
ｻｲｼﾞﾝｸﾞ剤
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現行材
200
300
400
引張弾性率(GPa)
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炭素繊維
素繊維
「強さ」の極限追求／表面欠陥抑制
10
現在でも
最高強度
ナノスケール表面像（ＳＴM）
﹁強さ﹂
8
ナノ
サイズ欠陥
6
4
ＧＰａ
2
ミクロン
サイズ欠陥
0
1970
1980
サブミクロン
サイズ欠陥
nm
1990
2000
2010
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2008
Toray
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R&D Divi
sionIndustries,
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Rights
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炭素繊維
「剛性」の極限追求／黒鉛結晶制御
800
表面（ＳＴＭ）
PAN系最高
の弾性率
﹁剛性﹂
700
600
500
400
ＧＰａ
300
配向度
95%
200
100
0
1970
1ｎｍ
1980 1990
2000 2010
黒鉛
結晶
配向度
繊維軸 80%
6nm
断面
（ＴＥＭ）
10nm
2nm
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ナショナルプロジェクトの成功事例と要因分析
自動車軽量化炭素繊維強化複合材料の研究開発
（2003年11月∼2008年3月）
東レと日産自動車が、「ハイサイクル一体成形技術」、「金属など他素材との接合技術」、「安全設計技
術」および「リサイクル技術」の各テーマについて研究開発を推進。10分サイクルで成形、スチール対比
50％軽量化、1.5倍以上の衝突安全性を実証。この成果を基に実用化開発を推進、量産部品を2012
年に発売されるダイムラーのメルセデス・ベンツ乗用車向けから供給開始する予定。
プリフォーム工程
RTM成形工程
樹脂注入
プリフォーム
プリフォーム
炭素繊維
炭素繊維シート
裁断
自動賦形
配置
含浸・硬化
脱型
プロセス設計
キー プロセス
立体賦形シミュレーション技術
プリフォーム賦形
−1ply目
−2ply目
−3ply目
− ply目
−5ply目
−6ply目
樹脂含浸シミュレーション技術
樹脂含浸
CFRP製品
成功要因
○垂直連携（利害が一致）：双方の研究･開発者が密接に連携。
○時代を先取り：ＬＣＡや規制を取り入れて軽量化の潮流を先取り。
○豊富な資金（20億円：100％委託）：車体衝突試験、実物大フロアー試作などが実現。
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本日の報告内容
１．炭素材料と炭素材料に対する期待と課題
２．東レでの炭素材料への取り組み
（１）東レの研究開発方針
（２）炭素繊維
（３）カーボンナノチューブ
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