炭素繊維複合材料(CFRP)の評価

省エネ、環境問題への対策において、自動車の燃費向上、エネルギー転換が重要な課題となっています。そのために車体・部品の軽量化の材料として、主に炭素繊維複合材料(CFRP)を中心とした繊維強化プラスチック材料が注目されています。当社では様々な分析、試験のご相談を承ります。

対象 課題・目的 分析手法
炭素繊維
(CF)
結晶性(結晶化度、面間隔) ラマン、XRD
樹脂との相溶性(官能基) XPS、ベーム法
サイジング材評価 XPS、TOF-SIMS
繊維引っ張り強度 引っ張り試験
熱膨張 TMA
炭素繊維複合材料
(CFRP)
ボイド(率)、クラック(欠陥) X線CT
繊維配向 X線CT、SEM、光学顕微鏡
表面凹凸、樹脂含浸性 SEM、光学顕微鏡
繊維長分布 光学顕微鏡
力学特性(強度・弾性率等) 引張試験、シャルピー衝撃試験
熱膨張(そり)、熱伝導率の異方性 TMA、熱伝導率
安全性、信頼性 ガソリン浸漬、塩水噴霧
加熱発生ガス Py-GC/MS、TG-MS
マトリックス
(樹脂:ポリマー)
組成分析 Py-GC/MS、GC-MS、FT-IR
分子量分布 GPC
結晶化度、結晶性 XRD、DSC、偏光顕微鏡
ガラス転移点 温度変調DSC
未反応モノマー量 抽出-GC/MS等
水分量 カールフィッシャー
異物分析 FT-IR、EPMA

炭素繊維複合材料(CFRP)の評価事例

X線CT観察によるCFRPの内部構造評価

8層の熱可塑性CF(織物)/PPをX線CTで観察した事例です。X線CTで得られた立体像を画像解析することにより、CFRPのボイド(空隙)の分布等を3次元的に解析することができます。この結果から、繊維の配向に沿ってボイドが伸びていることと、表層と内部付近に空隙が高い部分が存在していることがわかります。

図1 織物CFRPの空隙の3D解析像と厚み方向の空隙率 図1 織物CFRPの空隙の3D解析像と厚み方向の空隙率

不連続繊維のCF(短繊維)/PA6をX線CT観察し、繊維の配向性について迂回度を用いて数値評価した結果、表層はX軸方向に、中心部はY軸方向に、繊維が配向していることが確認できました。

図2 不連続CFRPの断面と水平断面の繊維配向解析 図2 不連続CFRPの断面と水平断面の繊維配向解析

不連続CFRPの繊維長解析

不連続CFRPの機能向上(強度、電磁波シールド性など)させるために、繊維のネットワークが重要視されています。
成形された不連続繊維のCF(長繊維)/PPからCFを取り出し、その長さを統計的解析することにより、繊維の長さや均一性、分散性を評価できます。また、その繊維長によって破壊モードが異なることもわかります。

図1 不連続CFRPの断面と水平断面の繊維配向解析 図1 不連続CFRPの断面と水平断面の繊維配向解析

図2 繊維長の違いによる不連続CFRPの引張強さの違い 図2 繊維長の違いによる不連続CFRPの引張強さの違い

熱伝導率および熱膨張率測定

CFRPは炭素繊維の配向性によって熱伝導率が変わり、加熱成形時にはマトリックスの熱劣化や硬化不良の懸念があります。熱伝導性の評価は、CFRP量産速度(加熱・冷却)の検討に有効です。

図1 一方向性CF/PA6(ナイロン6)の熱伝導率異方性評価 図1 一方向性CF/PA6(ナイロン6)の熱伝導率異方性評価

熱膨張率の異方性は、CFRP成形時の反り変形や異種材料との接合界面のひずみに繋がります。
低温~高温までの熱膨張率の評価をご提供します。
なお、繊維のみの評価もできます。

図2 熱膨張率の異方性評価 図2 熱膨張率の異方性評価

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