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ゆりかいちぞの
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軽いだけではない ~CFRTP の魅力と課題 ~ S&T 技術セミナー熱可塑性 CFRPの成形開発技術と展望第 1 部量産車軽量化のための CFRTP 開発 ~ 検討項目とその考え方 ~ 東京大学髙橋淳大田区産業プラザ

歩行者保護 ) 軽量ゆえにより耐衝突性を向上 ( コンパティビリティー ) 凹みにくい材料特性を活かし歩行者の頭部損傷度低減部材製造速度と軽量化率のトレードオフ関係プレス機など大型成形加工装置の占有時間を 1 分に

次世代炭素繊維技術戦略とのリンク炭素繊維の安定供給と CFRTP 関連技術開発の必要性熱可塑性樹脂による低コスト化効果熱硬化性 CFRP が高いのは炭素繊維のせいではない熱可塑性樹脂により解消可能なCFRPの高コスト要因

1 軽いだけではない ~CFRTP の魅力と課題 ~ S&T 技術セミナー熱可塑性 CFRPの成形開発技術と展望第 1 部量産車軽量化のための CFRTP 開発 ~ 検討項目とその考え方 ~ 東京大学髙橋淳大田区産業プラザ (PiO)6 階 D 会議室 211/1/28 コスト低減のための CFRTP 技術 CFRP が高いのは炭素繊維のせいではないトータルコストでスチール車に迫る CFRTP で車はどこまで軽く安全にできるか ( 乗員 + 歩行者保護 ) 軽量ゆえにより耐衝突性を向上 ( コンパティビリティー ) 凹みにくい材料特性を活かし歩行者の頭部損傷度低減部材製造速度と軽量化率のトレードオフ関係プレス機など大型成形加工装置の占有時間を 1 分にスポット接合による高速アセンブル環境負荷 3R(LCA リペアリサイクル ) でも CFRTP は優等生運転時の低下はあたり前部材製造時もスチール以下に高度リサイクルにより業種内での素材の再利用次世代炭素繊維技術戦略とのリンク炭素繊維の安定供給と CFRTP 関連技術開発の必要性熱可塑性樹脂による低コスト化効果熱硬化性 CFRP が高いのは炭素繊維のせいではない熱可塑性樹脂により解消可能なCFRPの高コスト要因プリプレグの高コスト問題 ( 接着防止フィルム冷凍保管 ) 歩留まり問題 ( 熱硬化性 CFRPでは製造時に半分がゴミに ) 二次加工費 ( スポット溶接並の簡便な接合が可能に ) 量産化自動化により解消可能な CFRP の高コスト要因加工コスト ( 設備投資費ランニングコスト人件費 )

熱可塑性による CFRP の低コスト化 ( 量産車向け ) 熱可塑性による CFRP

CF/PP 成形圧力 :1~3kgf/cm 2 (1~3MPa) 材料コスト高い炭素繊維含有率

製造コスト易加工性プリプレグシステムによるハイサイクル自動成形により大幅減層間剥離が起こらず

万円 (5 万円 /kg) 成形サイクルa 分 (2/a 万個 / 年 ) 1 年 =2/a

2 熱可塑性による CFRP の低コスト化 ( 量産車向け ) 熱可塑性による CFRP の低コスト化 ( 量産車向け ) < 熱硬化性 CFRP > < 熱可塑性 CFRP > CF/PP 成形圧力 :1~3kgf/cm 2 (1~3MPa) 材料コスト高い炭素繊維含有率 (~6%) 樹脂が高価非効率なプリプレグシステム歩留まり問題製造コスト低い設備稼働率量産高い製造エネルギー OOA 労働集約的自動化高い加工ツール費材料コスト低い炭素繊維含有率 (2%~) 樹脂が安価効率的プリプレグシステム高い炭素繊維利用率製造コスト易加工性プリプレグシステムによるハイサイクル自動成形により大幅減層間剥離が起こらずかつ低 Vfで二次加工も容易 1トンプレス機で成形できるCF/PP:33~1cm 2 2mm 厚とすると 67~2cm 3 比重 1.2なので 8~24g プレス機 1 万 /1トン 2kgのCF/PP 部材成形の設備費 =1 万円 (5 万円 /kg) 成形サイクルa 分 (2/a 万個 / 年 ) 1 年 =2/a 万個設備費 25a 円 /kg 上記はIRヒーター +プレスのハイサイクルパターンで高成形圧必要亜ハイサイクルで良ければ金型内で基材を溶かす手法が選択可能 FRTP のハイサイクル成形方法 FRTP の亜ハイサイクル成形例 Injection ( 短繊維 ) 例 ) 電磁プレス成形によるものクラス A 表面品質確保に優位性 Stamping( 連続長繊維 ) 東レ資料から

熱硬化性 CFRP における低い炭素繊維有効利用率熱硬化性 CFRP リサイクル方法の分類 CFRP

7 % カスケードリサイクル Waste CFRP (option) Crush Remove

Add Another Filler (option) Pelletizing Injection

to get longer fiber to improve strength Ex.

Prepreg Sheet Press Forming 本プロジェクトでの 3R 率 (

1 % 工程内で発生する廃棄量 3 5% カット時のロス 4-1-2 プレートマテリアルリサイクル (

品を加熱変形により合格品に ) 期限切れ熱可塑性のため保管ロスは生じない製品段階での CFRP

自動車修理工場での加熱による簡易修理 ) Double Belt Press Hybrid

3 熱硬化性 CFRP における低い炭素繊維有効利用率熱硬化性 CFRP リサイクル方法の分類 CFRP 中間基材 1 % 工程内で発生する廃棄量 3 5 % カット時のロス製品段階での CFRP 活用率 5 7 % カスケードリサイクル Waste CFRP (option) Crush Remove Resin thermally (option) Surface Treatment (option) Add Another Filler (option) Pelletizing Injection Molding NG 部品期限切れ品質保証用試験片 chemically without crush to get longer fiber to improve strength Ex. virgin CF, aramid, etc. to improve shock absorption ability Cf. improve 2 to 3 times by an addition of aramid fiber (27, Tokyo Univ.) (option) Carding / Paper Making (option) TP Prepreg Sheet Press Forming 本プロジェクトでの 3R 率 ( 炭素繊維有効利用率 ) 向上の考え方 CFRTP における 3 つのリサイクル方法 CFRP 中間基材 1 % 工程内で発生する廃棄量 3 5% カット時のロスプレートマテリアルリサイクル ( 端材を中間基材に戻す ) NG 部品インハウスリペア ( 製造工場内での NG 品を加熱変形により合格品に ) 期限切れ熱可塑性のため保管ロスは生じない製品段階での CFRP 活用率 5 7 % カスケードリサイクルショップリペア ( 自動車修理工場での加熱による簡易修理 ) Double Belt Press Hybrid Stamping Panel with only recycled CF/PP Panel with fresh CF/PP Without Glue Recycled Plate Fresh Sheet 品質保証用試験片粉砕マテリアルリサイクル ( 高接着性の樹脂と繊維をそのまま再利用高性能リサイクル部材 ) Injection Molding

熱可塑性複合材料への期待 ( 航空機用と自動車用の相違点 ) 軽いだけではない ~CFRTP の魅力と課題 ~ 将来の年間生産台数 < 将来の保有台数 > 炭素繊維の最大需要量 <1 台あたりの使用量 > 航空機 1 機以上 / 年 < 商用機 2 万機以上 > 5 万トン以下 ( 歩留まり含む ) ( 歩留まりの有効利用が課題 ) < 平均 5 トン以下 / 機 > 自動車 1 億台以上 /

4 熱可塑性複合材料への期待 ( 航空機用と自動車用の相違点 ) 軽いだけではない ~CFRTP の魅力と課題 ~ 将来の年間生産台数 < 将来の保有台数 > 炭素繊維の最大需要量 <1 台あたりの使用量 > 航空機 1 機以上 / 年 < 商用機 2 万機以上 > 5 万トン以下 ( 歩留まり含む ) ( 歩留まりの有効利用が課題 ) < 平均 5 トン以下 / 機 > 自動車 1 億台以上 / 年 < 乗用車 13 億台 ( 現在 7 億台 ) トラック 5 億台 ( 現在億台 )> 1 万トン以上 ( 市場ゴミの再製品化が課題 ) < 平均.1トン以上 / 台 > コスト低減のための CFRTP 技術 CFRP が高いのは炭素繊維のせいではないトータルコストでスチール車に迫る CFRTP で車はどこまで軽く安全にできるか ( 乗員 + 歩行者保護 ) 軽量ゆえにより耐衝突性を向上 ( コンパティビリティー ) 凹みにくい材料特性を活かし歩行者の頭部損傷度低減ニーズソリューション軽量性低コスト小部品の高速成形主構造の耐衝撃安全性耐雷性等電気的性質易修理性高稼働性 CF/TP (PEEK, PEKK, PPS#, etc.) 軽量性低コスト ( スチール同等 ) 超高速成形性 (~1 分 ) 耐衝撃安全性耐雷性等電気的性質 3R 性 ( 廃棄物処分所問題 ) CF/TP (PP, PA, etc.) 部材製造速度と軽量化率のトレードオフ関係プレス機など大型成形加工装置の占有時間を 1 分にスポット接合による高速アセンブル環境負荷 3R(LCA リペアリサイクル ) でも CFRTP は優等生運転時の低下はあたり前部材製造時もスチール以下に高度リサイクルにより業種内での素材の再利用課題耐熱性 vs. 成形性樹脂価格 + 成形コスト超高速成形加工法の開発 (CF と TP の界面接着性向上 ) CF 価格低下生産量増加次世代炭素繊維技術戦略とのリンク炭素繊維の安定供給と CFRTP 関連技術開発の必要性良くある説明地球温暖化対策に貢献する炭素繊維最先端の繊維素材はその優れた特性から新たな製品や市場を開拓しうる次世代の有力素材として経済生活環境をドラスティックに変化させるだけのインパクトを持っている特に近年省エネや環境保全の分野では繊維素材の特性 ( 軽量性等 ) を活かして多くの需要が期待されており例えば炭素繊維素材は鉄などの金属を代替する素材として期待されている繊維素材の活用による省エネ効果 < 移動体分野 > 軽い : 鉄の1/4 強い : 鉄の1 倍チタン 15% 鉄 1% アルミ 2% その他 5% 重量比コンポジット ( 炭素繊維 ) 5% 最新航空機では機体の半分以上が繊維複合材料燃費効率 2 割アップ高い競争力を有する日本の繊維技術炭素繊維の世界シェアその他海外 31% 東レグループ 34% 三菱レイヨン東邦テナックグループスグループ 16% 19% 日本メーカーが約 7 割のシェア高い技術力は過去の研究開発の成果国際競争力を維持していくためには今後も研究開発に注力することが不可欠 27 年に策定した経済産業省の技術戦略マップの中に新たにファイバー分野の技術戦略マップを追加したところであり我が国としても繊維に係る技術開発を推進していくことが必要軽量化航空機自動車環境負荷低減 B787 MRJ がCFRP( 構造重量の5%) 日の丸ジェットもCFRP 代替燃料システムバストラック欧州軽量車は CFRP CFRP 製 CNG タンク CNG で低 CO2 排出量を実現 1/X は CFRP 軽量高強度により軽量タンクを実現 (CNG:Compressed Natural Gas 圧縮天然ガス ) 効率化軽量高剛性により直径 1m を実現風車の大型化特殊機能クリーンエネルギー製造羽根断面 CFRP CFRP で内圧 7 気圧を実現高圧水素タンク回転胴軽量高剛性により CFRP 高速回転を実現 ( 緑部 ) ウラン濃縮回転胴の高速化 CFRP 軽量電極材として利用燃料電池炭素繊維は使用時の環境負荷低減およびクリーンエネルギー製造に貢献 CFRP (CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics 炭素繊維強化プラスチックス )

炭素繊維は鉄鋼の倍? 炭素材料の比較 T3 T1 1.μm 1.μm 密度 1.

8 g/cm 3 鉄鋼の1/4 引張弾性率 23 GPa 294 GPa 破断伸び 1.5 % 2.

黒鉛の基本構造 (c) カーボンナノチューブ (d) フラーレングラフェンの層と層の間隔は.

万層束になったもの車体に要求される基本特性量産車軽量化の二つの方向性曲げねじり剛性 (

?kg 単純部品置換 (3% 軽量化 ) 耐衝突性過剰 CFRTP 用最適化 ( フレーム除去 )

5 炭素繊維は鉄鋼の倍? 炭素材料の比較 T3 T1 1.μm 1.μm 密度 1.76 g/cm g/cm 3 鉄鋼の1/4 引張弾性率 23 GPa 294 GPa 破断伸び 1.5 % 2.2 % 引張強度 353 MPa 637 MPa 鉄鋼の1 倍 (a) グラフェン (b) 黒鉛の基本構造 (c) カーボンナノチューブ (d) フラーレングラフェンの層と層の間隔は m 炭素繊維直径 m なのでグラフェンの膜が約 1 万層束になったもの車体に要求される基本特性量産車軽量化の二つの方向性曲げねじり剛性 ( 走行性乗り心地 ) 主にパネル部分が負担耐衝突性主にフレーム部分が負担スチール車平均 138kg CFRTP 車平均 97kg CFRTP 車平均???kg スチール車平均 138kg CFRTP 車平均 97kg CFRTP 車平均???kg 単純部品置換 (3% 軽量化 ) 耐衝突性過剰 CFRTP 用最適化 ( フレーム除去 ) さらなる軽量化スチール車 CFRTP 車コンパチ対応型耐衝突性向上必要平均 138kg 平均 97kg フレーム追加必要軽量化率は約 3% CFRTP 車平均???kg CFRTP 車平均???kg 低速度限定利用型非量産型ならばインテグレーション構造化でさらに軽量に

部材形態別重量構成比プロジェクトでの軽量化目標従来モデルと CFRP モデルフードルーフドアフレームピラーフェンダーサポート FRカウル RR FRエンジンカバー FR ストラットタワーバートタワミッションセンタートンネルラジコアサポートシートバックヘッドレストサポートラゲッジパーティション frame 12% panel 88% < モノコックボディ > 軽量性に優れる

スチール 968kg 従来モデル CFRP 化エンジン部品クラッシュボックス FRフロアトンネル FRフロアパネル CFRP :174kg 384kg CFRP モデル CFRP 鉄鋼 FR ダッシュ非鉄金属その他 RRラゲッジバックパネルドアインナー RRラゲッジサイドパネルインパクトビーム RRラゲッジフロアアンダーカバーアンダーサポートロッド連続繊維熱可塑性 CFRP: 外板

6 部材形態別重量構成比プロジェクトでの軽量化目標従来モデルと CFRP モデルフードルーフドアフレームピラーフェンダーサポート FRカウル RR FRエンジンカバー FR ストラットタワーバートタワミッションセンタートンネルラジコアサポートシートバックヘッドレストサポートラゲッジパーティション frame 12% panel 88% < モノコックボディ > 軽量性に優れる casting 13% frame 3% panel 57% < ハイブリッドボディ > 衝突安全性リサイクル性に優れる低 Vf の不連続繊維 CFRTP は曲げ特性支配の板材と複雑形状部材用高 Vf の連続繊維 CFRTP は引張圧縮特性も必要となるフレーム部材用リサイクル材は主としてスティフナや複雑形状部材として再利用車体重量 (kg) 普通乗用車の平均重量モデル 1,5 1, 5 スチール 968kg 従来モデル CFRP 化エンジン部品クラッシュボックス FRフロアトンネル FRフロアパネル CFRP :174kg 384kg CFRP モデル CFRP 鉄鋼 FR ダッシュ非鉄金属その他 RRラゲッジバックパネルドアインナー RRラゲッジサイドパネルインパクトビーム RRラゲッジフロアアンダーカバーアンダーサポートロッド連続繊維熱可塑性 CFRP: 外板強度部材不連続繊維熱可塑性 CFRP: 複雑形状部材スチール部材 584kg CFRP 部材 +174kg 計 41kg 1,38 97kg 3% ガソリン車燃費 22.5% CF/PP で重さが 3 分の 1 になる仕組み鋼板 CF/EP 板 CF/PP 板の比較 ( 剛性設計 ) 鉄鋼板 CF/PP 板鉄鋼板比弾性率 (E) E S = 2GPa E C = 25GPa 1/8 厚さ (t) t 2t 2 体積 (V t) V 2V 曲げ剛性 (EI Et 3 ) E S t 3 E C (2t) 3 1 荷重 (P) 荷重 (P) 1 たわみ曲げ変形量 (δ P/EI) δ equals = δ が同じ表面のひずみ (ε) ε 2ε 2 表面の応力 (σ) σ S = E S *ε σ C = E C *2ε 1/4 座屈強度 P S =π 2 E S I S /L 2 P C =π 2 E C I C /L 2 1 密度 (ρ) /6 質量 (W) 7.8V 1.3*2V 1/3 曲げ荷重ー鋼板ー CF/EP 板ー CF/PP 板曲げ変形 1. CFRP 板は鋼板の1/3の重量で曲げ剛性 ( 曲げ変形挙動 ) が同じ 2. CFRP 板は鋼板よりも長い弾性変形範囲のためデントが起こりにくい 3. しかし応力集中部ではCF/EPは急激に荷重低下 ( 脆性破壊 ) するため円孔切欠コーナー部に弱いその原因は層間剥離 4. CF/PPは層間剥離を起こさないためエネルギー吸収能力が高いだけでなく円孔切欠コーナー部に強い 5. CF/PP は熱可塑性を利用した溶着リペアリサイクルが容易 6. CF/PP は 4.5. の特性を活用して CF/EP では制約されていた多様な構造や成形方法が考えられる

7 熱硬化性 CFRP と熱可塑性 CFRP での破壊メカニズムの相違継ぎ手コーナー部での熱硬化性 CFRP と熱可塑性 CFRP の相違熱硬化性 CFRP 曲げ部材の破壊プロセス比較圧縮側 2 大規模層間剥離圧縮側熱可塑性 CFRP 1 繊維座屈 2 局所的塑性変形接着接合熱硬化性 CFRP 接着剤解体性加工性信頼性一体成形指向で設備大型化ボルト接合解体性孔空け加工時に層間剥離繊維切断応力集中熱可塑性 CFRP 熱融着解体性簡便高速 ( 数秒 ) 接合部強度 > 母材強度小さく作って高速接合! 解体性孔空け加工時に層間剥離無し繊維切断応力集中するが破壊は延性的 1 引っ張り側での繊維破断 1 2 P 3 層間剥離を伴わない繊維破断 P メタルインサートなど厚肉化重量製造時間コスト増コーナー部応力集中層間剥離対策構造が複雑厚肉重量化インサート不要重量製造時間コスト減高信頼部異材接合に活用メタルと同様な設計可能構造の簡素化軽量化 δ δ 剛性設計強度設計記号剛性設計部材と強度設計部材の軽量化指標変形特性 ( 剛性 ) が同じ引張部材引張剛性 (EA) Et = E * t * 曲げ部材曲げ剛性 (EI) Et 3 =E * t *3 軽量化率 (* は比較材 ) ρe * /ρ * E ρ 3 E * /ρ *3 E W/W * =ρt/ρ * t * = (E * /ρ * )/(E/ρ) = ( 3 E * /ρ * )/( 3 E/ρ) 軽量化指標 ( 大きいほど軽い ) 強度特性 ( 破壊荷重 ) が同じ比引張剛性 E/ρ 引張強度 (σ f A) σ f t= σ f* t * 比曲げ剛性 3 E/ρ 曲げ強度 (σ f I/(t/2)) σ f t 2 =σ f* t *2 軽量化率 (* は比較材 ) ρσ f* /ρ * σ f ρ σ f* /ρ * σ f W/W * =ρt/ρ * t * =(σ f* /ρ * )/(σ f /ρ) =( σ f* /ρ * )/( σ f /ρ) 軽量化指標 ( 大きいほど軽い ) 比引張強度 σ f /ρ 比曲げ強度 σ f /ρ L [m]: 板の長さ (= 一定 ) b [m]: 板幅 (= 一定 ) t [m]: 板厚 A [m 2 ]: 断面積 (=bt) I [m 4 ]: 断面二次モーメント (=bt 3 /12) E [GPa]: ヤング率 σ f [MPa]: 強度 W [kg]: 質量 (=ρlbt) ρ[g/cm 3 ]: 密度 Specific tensile stren ngth, σ f /ρ 各種構造用材料の軽量化指標 ( 比強度比剛性 ) 比較引張部材 CF/EP(Vf6 iso) CF/PP(Vf5 iso) CF/PP(Vf4 iso) CF/PP(Vf3 iso) GF/UP (Vf6 iso) CF/PP(Vf2 iso) Titanium Magnesium Aluminum Steel 12MPa Steel 8MPa Steel 4MPa Specific flexural streng gth, 2 15 曲げ部材 CF/PP(Vf5 iso) CF/PP(Vf4 iso) CF/PP(Vf3 iso) CF/PP(Vf2 iso) CF/EP (Vf6 iso) Specific tensile stiffness, E/ρ Specific flexural stiffness, E / 繊維強化複合材料の優位性は大きな弾性変形範囲 (ε f ) による V f と異方性の制御により CF/PP の軽量化率は大幅に調節可能 1 5 GF/UP(Vf6 iso) Titanium Aluminum Steel 12MPa Steel 8MPa Steel 4MPa Magnesium ρ が小さいため CF/PP は CF/EP より軽量 V f が変化しても CF/PP の軽量化率はあまり変わらない ( ただし板厚は V f 2 で鋼板の 2.3 倍 V f 5 で 1.8 倍と変わる )

CF/PP の対スチール軽量化率 ( 曲げ剛性基準 ) CF/PP 中の CF 重量 ( 曲げ剛性基準 ) to Steel tening Ratio of CF/PP t Weight Light.6 5.5.4.3.2 等方材と UD 材での相違 ISO plate UD plate GF/UP(Vf6 iso).58 Aluminum.5 Magnesium.

6 囲不十分安価, 含浸容易..3..1.2.3.4.5.6..1.2.3.4.5.6 Carbon Fiber Volume Fraction in CF/PP plate 3. 25 2.5 2. 1.5 1..5. Weigh t of CF and CF/PP plate.6 ISO CF/PP plate UD CF/PP plate 5.

8 CF/PP の対スチール軽量化率 ( 曲げ剛性基準 ) CF/PP 中の CF 重量 ( 曲げ剛性基準 ) to Steel tening Ratio of CF/PP t Weight Light 等方材と UD 材での相違 ISO plate UD plate GF/UP(Vf6 iso).58 Aluminum.5 Magnesium.39 CF/EP(Vf6 iso).31 等方材での軽量化率密度板厚比.33 weight lightening ratio density.325 thickness ratio reference 構造材料 CF/EPと同等以上 CF/EP(Vf6 iso).1 としての.35 の軽量化率弾性歪範低繊維含有量 1.6 囲不十分安価, 含浸容易 Carbon Fiber Volume Fraction in CF/PP plate Weigh t of CF and CF/PP plate.6 ISO CF/PP plate UD CF/PP plate 5.5 CF in ISO CF/PP plate lt CF in UD CF/PP plate Carbon Fiber Volume Fraction 車体の多くの部分は曲げ部材曲げ剛性が同じ部位では例えば 1kg の鋼板が 32kg の CF/PP 板 ( 等方性,Vf=.2) で置き換えられ CFは1kgしか使用していない引張圧縮特性が必要となる部位では Vfを上げ異方性を活用することでやはり同等の軽量化率と炭素繊維利用量となる成形加工時の炭素繊維有効利用率向上と高い接合効率の実現が軽量化と低コスト化のキーとなる軽量化後重量 / 軽量化前前重量 CF 使用量と車体軽量化率車体重量 (kg) 138kgのスチール車軽量化可能部 9kg + 比例軽量化部 28kg + 軽量化不可能部 2kg CF 使用量 =αkg CFRP=2α スチール減量分 =6α ( 6α 9kg) 軽量化後重量炭素繊維使用量 (kg) = *(4α/9) 異方性とプラスチックス特有の一体成形を考慮した場合 ( 構造部分がさらに 3% 軽量化可能となる ) 曲げ剛性捻り剛性構造重量等方性 kg 異方性 kg 異方性利用による部分重量比 =1-.38α

歩行者保護にも役立つ熱可塑性 CFRP HIC( 頭部損傷基準 ) の分布例 Steel CFRTP Steel CFRTP 頭部損傷基準最大合成加速度 (G) CFRTP model 276 65

コスト低減のための CFRTP 技術 CFRP が高いのは炭素繊維のせいではないトータルコストでスチール車に迫る CFRTP で車はどこまで軽く安全にできるか ( 乗員 + 歩行者保護 ) 軽量ゆえに

スポット接合による高速アセンブル環境負荷 3R(LCA リペアリサイクル ) でも CFRTP は優等生運転時の低下はあたり前部材製造時もスチール以下に高度リサイクルにより

日本における自動車種の変遷 executive normal 1 mini 197 198 199 2 Lamborghini, Sesto Elemento (999kg) Driving

9 歩行者保護にも役立つ熱可塑性 CFRP HIC( 頭部損傷基準 ) の分布例 Steel CFRTP Steel CFRTP 頭部損傷基準最大合成加速度 (G) CFRTP model Steel model 既存 Steel 製ボンネットの約 1/3の頭部損傷度約 1/2の最大合成加速度約 1/4の重量を達成軽いだけではない ~CFRTP の魅力と課題 ~ コスト低減のための CFRTP 技術 CFRP が高いのは炭素繊維のせいではないトータルコストでスチール車に迫る CFRTP で車はどこまで軽く安全にできるか ( 乗員 + 歩行者保護 ) 軽量ゆえにより耐衝突性を向上 ( コンパティビリティー ) 凹みにくい材料特性を活かし歩行者の頭部損傷度低減部材製造速度と軽量化率のトレードオフ関係プレス機など大型成形加工装置の占有時間を 1 分にスポット接合による高速アセンブル環境負荷 3R(LCA リペアリサイクル ) でも CFRTP は優等生運転時の低下はあたり前部材製造時もスチール以下に高度リサイクルにより業種内での素材の再利用次世代炭素繊維技術戦略とのリンク炭素繊維の安定供給と CFRTP 関連技術開発の必要性 Stock Number of Autom mobile 日本における自動車種の変遷 executive normal 1 mini Lamborghini, Sesto Elemento (999kg) Driving Performance Eco TOYOTA 1/X (HEV, 42kg) JARI C ta (EV, 3kg) Problem is not only cost but also production cycle time and recyclability. Eco

10 FRP は型代が安く多品種少量生産には圧倒的に有利車体軽量化率と生産速度のトレードオフ関係量産には成形速度 ( と3R 性 ) の抜本的改善が不可欠現状 ( 平均重量 138kg 年産 2 万台 *1 ) *1) 8 台 / 日 =5 台 / 時間 = 型占有時間 1 分省エネ対策温暖化対策 EV 化年産 5 万台 =2 万台 25 CFRTP プロジェクトの目標 (3% 軽量化年産 2 万台 ) 熱可塑性 CFRP By 熱可塑性 CFRPによる部材置換成形コンセプトカー ( 重量 1/3 年産? 台 ) By 熱硬化性 CFRP による一体成形熱硬化性 CFRP 超軽量部品数削減成形速度コストリサイクル信頼性? 可能性超軽量性成形速度新規開発要素トータルコスト新規開発要素リサイクル新規開発要素信頼性新規開発要素シート or テープ状中間基材による部材置換高速プレス成形と好相性早期普及自動車以外への展開技術の波及技術優位性の確保産業競争力省エネ温暖化対策としての即効性高 /EU 廃棄物指令 ( 埋立禁止 ) にも対応可能 EV 等エコカーの低コスト化普及に寄与 / レアメタル使用量削減充電時間短縮 etc. 6% 軽量車 ( 異方性活用一体成形年産 2 万台 ) の基盤サステナブルハイパーコンポジット技術の開発サステナブルハイパーコンポジット技術の開発 (28-12) fy/NEDO, METI 予算総額約 4 億円実施者推進委員 1. CF/PP, CF/PA 中間基材の開発 CF-TP 界面最適化技術繊維配向樹脂含浸技術連続繊維 & 不連続繊維中間基材 2. ハイサイクル成形技術連続プレス成形技術内圧成形技術 PL 東京大学髙橋淳 3. 接合技術 CFRTP 同士の接合メタルとの接合 4. リペアリサイクル技術

炭素繊維と熱可塑性樹脂の界面接着性向上 FRTP( 繊維強化熱可塑性樹脂 ) 開発の歴史 Cowoven( 混交織 ) Commingled Yarn( 混繊糸 ) 連続混繊糸 Normal CF + PP

modification Special treated CF + PP with modification 出典 : 元 TOYOBO 山根正睦氏の資料に著者加筆非含浸タイプの中間基材プリプレグでは成形

technology High cycle press molding Carbon Fiber Thermoplastics Pre heat Press in 1 min Cut Dispersion

sheet Primary parts High cycle press molding UD + random Final parts Plate with stiffeners Impregnation

11 炭素繊維と熱可塑性樹脂の界面接着性向上 FRTP( 繊維強化熱可塑性樹脂 ) 開発の歴史 Cowoven( 混交織 ) Commingled Yarn( 混繊糸 ) 連続混繊糸 Normal CF + PP without modification Special treated CF + PP without modification 牽切紡混繊糸パウダー担持 Normal CF + PP with modification Special treated CF + PP with modification 出典 : 元 TOYOBO 山根正睦氏の資料に著者加筆非含浸タイプの中間基材プリプレグでは成形 ( 含浸 + 賦形 ) に高圧長時間が必要成形不良 ( 残存ボイド ) により高性能が出ない量産車には既含浸で高接着のプリプレグが不可欠不連続繊維による中間基材 Isotropic preform technology High cycle press molding Carbon Fiber Thermoplastics Pre heat Press in 1 min Cut Dispersion Impregnation Raw materials Carbon fiber Thermoplastic 一方向性 CFRTP の多様な中間基材製品 Intermediate substrate UD sheet Primary parts High cycle press molding UD + random Final parts Plate with stiffeners Impregnation Cross sheet Random sheet Random Pipe made by welding Isotropic preform Prepreg tape Braiding High cycle bladder molding Seamless pipe

樹脂熱可塑性 FRP の各種溶着方法熱硬化性 CFRP と熱可塑性 CFRP の接合方法の相違

品質保証が手間 ) 熱板抵抗溶着誘導溶着熱可塑性 CFRP: 熱融着 ( 簡便で

繊維体積含有率も母材よりも高くすることができる軽いだけではない ~CFRTP の魅力と課題 ~

が高いのは炭素繊維のせいではないトータルコストでスチール車に迫る CFRTP で車はどこまで軽く

) 凹みにくい材料特性を活かし歩行者の頭部損傷度低減部材製造速度と軽量化率のトレードオフ関係

3R(LCA リペアリサイクル ) でも CFRTP は優等生運転時の低下はあたり前

次世代炭素繊維技術戦略とのリンク炭素繊維の安定供給と CFRTP 関連技術開発の必要性標準グレードの

12 樹脂熱可塑性 FRP の各種溶着方法熱硬化性 CFRP と熱可塑性 CFRP の接合方法の相違熱板溶着振動溶着超音波溶着熱硬化性 CFRP: ボルト ( 繊維材に不利 ) 接着剤 ( 高価品質保証が手間 ) 熱板抵抗溶着誘導溶着熱可塑性 CFRP: 熱融着 ( 簡便でしかも母材よりも接合部のほうが高性能 ) 加熱接合部で繊維が絡み繊維体積含有率も母材よりも高くすることができる軽いだけではない ~CFRTP の魅力と課題 ~ 炭素繊維のインベントリーデータコスト低減のための CFRTP 技術 CFRP が高いのは炭素繊維のせいではないトータルコストでスチール車に迫る CFRTP で車はどこまで軽く安全にできるか ( 乗員 + 歩行者保護 ) 軽量ゆえにより耐衝突性を向上 ( コンパティビリティー ) 凹みにくい材料特性を活かし歩行者の頭部損傷度低減部材製造速度と軽量化率のトレードオフ関係プレス機など大型成形加工装置の占有時間を 1 分にスポット接合による高速アセンブル環境負荷 3R(LCA リペアリサイクル ) でも CFRTP は優等生運転時の低下はあたり前部材製造時もスチール以下に高度リサイクルにより業種内での素材の再利用次世代炭素繊維技術戦略とのリンク炭素繊維の安定供給と CFRTP 関連技術開発の必要性標準グレードの PAN 系炭素繊維のインベントリーデータは東レ東邦テナックス三菱レイヨンの生産データをもとに 5 年ごとに見直されているインベントリーデータとそれを用いた車飛行機風車の LCA 結果が炭素繊維協会のホームページに掲載されている First dt data at 1999 Recalculated data at 24 Recalculated data at 29 Energy (MJ/kg CF) CO2 (kg/kg CF) SOx (kg/kg CF) NOx (kg/kg CF)

13 自動車のライフサイクルにおけるエネルギー消費量バス 1t トラック 4t トラック 2t トラック乗用車素材製造車体製造走行修理廃棄輸送 % 25% 5% 75% 1% 出典 : J. Kasai, Experiences and Thoughts About Life Cycle Assessment in the Automotive Industry in Japan, The International Journal of Life Cycle Assessment, Vol.5, No.5, p.316 (2) 自動車航空機の CFRP による軽量化効果 LCA( 炭素繊維協会 28) 自動車 (CF.1 トン使用 3% 軽量化 ) 航空機 (CF 18 トン使用 2% 軽量化 ) 3.9 t 26. t 1.2 t 5.1 t 2.2 t.8 t 削減効果 : 16% CO 2 [t/( 台 1 年 )].3 t 素材製造部品組立走行廃棄.3 t.5 t CO 2 削減 /( 台年 ) 5t CO 2 (1 年 )/1t CF 利用合計 :31.5 t 合計 :26.5 t 日本の乗用車保有台数 :42 万台 ( 軽自動車を除く出典 : 自工会 ) 21 万 t CO 2 / 年 by 42 万 t CF 利用 / 年組立 :3,8 t 素材製造 :7 t 39, t 素材製造走行 364, t 削減効果 : 7% 部品組立廃棄組立 :3, t * 廃棄 = t 素材製造 :9 t CO 3 2 [1 t/( 機 1 年 )]] 合計 :395 kt 合計 :368 kt 2,7 t CO 2 削減 /( 機年 ) 15t CO 2 (1 年 )/1t CF 利用日本のジェット旅客機保有数 :43 機 (1 席以上出典 : JAL, ANA) 12 万 t CO 2 / 年 by 8t CF 利用 / 年プロジェクトでの軽量化目標航空機 LCA 炭素繊維協会モデル従来モデルと CFRP モデルフードルーフ従来モデルと CFRP モデル車体重量 (kg) 普通乗用車の平均重量モデル 1,5 1, 5 スチール 968kg 従来モデル CFRP 化ドアフレームピラーフェンダーサポート FRカウル RR FRエンジンカバー FR ストラットタワーバートタワミッションセンタートンネルラジコアサポートエンジン部品クラッシュボックス FRフロアトンネル FRフロアパネル CFRP :174kg 384kg CFRP モデル CFRP 鉄鋼 FR ダッシュ非鉄金属その他シートバックヘッドレストサポートラゲッジパーティション RRラゲッジバックパネルドアインナー RRラゲッジサイドパネルインパクトビーム RRラゲッジフロアアンダーカバーアンダーサポートロッド連続繊維熱可塑性 CFRP: 外板強度部材不連続繊維熱可塑性 CFRP: 複雑形状部材スチール部材 584kg CFRP 部材 +174kg 計 41kg 1,38 97kg 3% ガソリン車燃費 22.5% 機体体重量 ( トン ) CFRP :3% 補助翼スポイラ昇降舵方向舵エンジンカウル等スチールアルミ B767 従来航空機 B767-3 CFRP 化 CFRP :5% 胴体フレーム主翼垂直水平尾翼等 CFRP チタンアルミ B767CFRP 航空機 (B787 重量比に準拠 ) その他 CFRP チタンスチールアルミ航空機の機体構造 6 48 トン ( 2%) 機体構造内装品等燃料人貨物 6t 29t 13t 32t 従来航空機合計 :134t 48t 29t 13t 32t CFRP 航空機合計 :122t 主流となる中型機において CFRP5% 適用により機体構造重量を 2% 軽量化可能 ( 総重量としては 9% の軽量化に相当 )

14 実際の軽量化率 = ボディの軽量化率 B/(B+P) 鉄鋼部材 CFRP 部材 CFRTP 部材の製造エネルギー比較 Passenger Automoblie Body 3%, Payload is constant 4t Truck Body 3%, Payload is constant Body 3%, Payload is added B747 4 domestic Body 3%, Payload is constant B747 4 international Body 3%, Payload is constant Body Fuel Payload Total kg kg ( 27%) kg kg ( 14%) kg ( %) t t ( 2%) t t ( 2%) 5 1% Where, then, if ΔP= assembly, molding CF production Fresh Steel Recycled Steel Fresh CF/EP (Vf=6) Fresh CF/EP (Vf=5) Fresh CF/EP (Vf=4) Recycled CF/EP with PP Fresh CF/PP (Vf=4) Fresh CF/PP (Vf=3) Fresh CF/PP (Vf=2) Repaired or Recycled CF/PP steel or matrix resin production materials recoverly 軽量化率が3 倍なので同じ機能の部材の環境負荷は同等 EP: エポキシ PP: ポリプロピレン Vf: 炭素繊維の体積含有率 (%) リサイクル部材の環境負荷は同等以下 Energy intensity [MJ/kg] 熱可塑性 CFRP の特徴本プロジェクトでの 3R 率 ( 炭素繊維有効利用率 ) 向上の考え方層間剥離が起こらない破壊が延性的加熱で簡単に接合修理 ( 性能回復 ) できる ( 必要に応じてパッチをあてる ) 歩留まり材を成形用シートに再利用できるリサイクル材の性能が高い業種内再利用を目指す CFRP 中間基材 1 % 工程内で発生する廃棄量 3 5 % カット時のロスプレートマテリアルリサイクル ( 端材を中間基材に戻す ) NG 部品インハウスリペア ( 製造工場内での NG 品を加熱変形により合格品に ) 期限切れ熱可塑性のため保管ロスは生じない製品段階での CFRP 活用率 5 7 % カスケードリサイクルショップリペア ( 自動車修理工場での加熱による簡易修理 ) 品質保証用試験片粉砕マテリアルリサイクル ( 高接着性の樹脂と繊維をそのまま再利用高性能リサイクル部材 )

熱硬化性 CFRP と熱可塑性 CFRP での破壊メカニズムの相違パッチ無し補修前後の CF/PP のエネルギー吸収能曲げ部材の破壊プロセス比較熱硬化性 CFRP 熱可塑性 CFRP 圧縮側圧縮側 1 繊維座屈 2 18 16 14 荷重たわみ線図 fresh repaired(ε=2.

補修材外観パッチ無し補修前後の CF/PP 試験片外観パッチ有り補修前後の CF/PP のエネルギー吸収能 2 18 荷重たわみ線図各板厚 : Original: 2.57mm Repaired: 2.

15 熱硬化性 CFRP と熱可塑性 CFRP での破壊メカニズムの相違パッチ無し補修前後の CF/PP のエネルギー吸収能曲げ部材の破壊プロセス比較熱硬化性 CFRP 熱可塑性 CFRP 圧縮側圧縮側 1 繊維座屈荷重たわみ線図 fresh repaired(ε=2.2%) Steel (SPCC: 実験値 ) 12 2 大規模層間剥離 2 局所的塑性変形 Load [N] 引っ張り側での繊維破断 1 2 P 3 層間剥離を伴わない繊維破断 P Deflection [mm] δ δ 補修後も高いエネルギー吸収能を維持している補修材外観パッチ無し補修前後の CF/PP 試験片外観パッチ有り補修前後の CF/PP のエネルギー吸収能 2 18 荷重たわみ線図各板厚 : Original: 2.57mm Repaired: 2.91mm % 向上 Load [N] ここまでのエネルギー吸収量 original repaired( ε=2.2%) ergy absorption [J] En Deflection [mm] fresh repaired 補修材と損傷材の比較 ( 左上 : 全体図, 右上 : 側面図, 中央 : 損傷部拡大図 ) 最大荷重剛性共に上昇しており, 実用性も高い結果となった.

16 CFRTP における 3 つのリサイクル方法 CFRTP のライフサイクルマスバランスと 3R Panel with only recycled CF/PP Panel with fresh CF/PP Without Glue 原料中間基材部品製品廃車 NG 部品 B Double Belt Press Recycled Plate Fresh Sheet CF リユースリユース CFRTP D ( ハイブリッドリサイクル ) Hybrid Stamping TP A 低性能廃材 A 高性能廃材低性能廃材 C 損傷材 Injection Molding A: プレートリサイクルハイブリッドリサイクル B: インハウスリペア C: ショップリペア D: リユースハイブリッドリサイクル軽いだけではない ~CFRTP の魅力と課題 ~ 省化石資源の視点から考えられる中長期的 CFRP 適用ターゲットコスト低減のための CFRTP 技術 CFRP が高いのは炭素繊維のせいではないトータルコストでスチール車に迫る CFRTP で車はどこまで軽く安全にできるか ( 乗員 + 歩行者保護 ) 軽量ゆえにより耐衝突性を向上 ( コンパティビリティー ) 凹みにくい材料特性を活かし歩行者の頭部損傷度低減部材製造速度と軽量化率のトレードオフ関係プレス機など大型成形加工装置の占有時間を 1 分にスポット接合による高速アセンブル環境負荷 3R(LCA リペアリサイクル ) でも CFRTP は優等生運転時の低下はあたり前部材製造時もスチール以下に高度リサイクルにより業種内での素材の再利用次世代炭素繊維技術戦略とのリンク炭素繊維の安定供給と CFRTP 関連技術開発の必要性一人あたりのの最終エネルギー消費費量 ( 単位 : 石油換算トン / 人 ) 28 年人口一次エネルギー供給量最終エネルギー消費量 OECD 119 百万人 4.56 石油換算トン / 人 3.11 石油換算トン / 人非 OECD 5498 百万人 1.24 石油換算トン / 人.86 石油換算トン / 人 1.6 Conversion loss 1.4 Electricity 内燃機関での燃焼 Combustible 1.2 Gas 1. Oil Coal.8 暖房用の灯油発電時時のロス自家消費転換ロス ( 主に発電時 ) 産業部門運輸部門 ( 主に自動車 ) 家庭業務プラスチックス潤滑油アスファルト等の原料 OECD 非 OECD OECD 非 OECD OECD 非 OECD OECD 非 OECD OECD 非 OECD 非エネルギー使用

世界の石油消費量に占める運輸部門の推移 tons) World Oil Consumption (Million 45 transport sector (non-oecd) 4

Source: EDMC, Energy & Economic Statistics 211 現在での技術で採掘可能な埋蔵量の 2% 強運輸部門で燃やしているプラスチックスの原料

船舶 ( 国内 ) 鉄道 1965 197 1975 198 1985 199 1995 2 25 (EDMC エネルギー経済統計要覧 211 等のデータより著者作成 )

) 走行抵抗の約 75% が車両重量に比例する ( 図中 m g は車両総重量 m rot は回転部分相当重量 ) ので 4% 軽量化により3% の燃費向上が期待できるさらに

17 世界の石油消費量に占める運輸部門の推移 tons) World Oil Consumption (Million 45 transport sector (non-oecd) 4 transport sector (OECD) bunker oil 35 other sectors Source: EDMC, Energy & Economic Statistics 211 現在での技術で採掘可能な埋蔵量の 2% 強運輸部門で燃やしているプラスチックスの原料日本の運輸部門におけるエネルギー消費量の推移エネルギギー消費量 ( 石油換算百百万トン ) 乗用車商用車バストラック航空機 ( 国内 ) 船舶 ( 国内 ) 鉄道 (EDMC エネルギー経済統計要覧 211 等のデータより著者作成 ) 自動車の走行抵抗走行抵抗 = ころがり抵抗 + 空気抵抗 + 加速抵抗 + 勾配抵抗スチール製 EV EV, PHEV の軽量化効果超軽量 EV ( 航続距離延長ユーザー拡大 ) 走行抵抗の約 75% が車両重量に比例する ( 図中 m g は車両総重量 m rot は回転部分相当重量 ) ので 4% 軽量化により3% の燃費向上が期待できるさらに車両総重量に占めるバッテリーの重量の大きい電気自動車では軽量化率に比例してバッテリーを軽くできるので軽量化率以上の燃費向上となる超軽量 EV ( 二次電池掲載量の低下低コスト化 + さらなる軽量化 )

18 なぜ PHEV か? 軽 PHEV のエネルギー消費構造エネルギー消費量内訳 ( 6) ( 日本の運輸部門 ) 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 自動車 3% 2% 1% % 鉄道航空貨物自動車海運普通自動車バス現状では EV は小さい自動車に限定される PHEV はほぼすべての自動車に適用可能即効的対策技術は PHEV ではないかエネルギー消費量 (MJ) HEV 現状 PHEV 最適 PHEV 二次電池を除く重量 : 85kg 一日の平均走行距離 : 25.4km BEV 電気ガソリン二次電池容量 (kwh) Mitsubishi imiev 総重量 = 11 kg 価格 = 4.6M JPY (5, USD) 一充電 = km 二次電池 = 16 kwh (2.3M JPY) PHEVには車体重量と平均走行距離で決まる最適二次電池容量がある最適二次電池容量にすると車両が高価になり普及しない普及のため二次電池容量を減らすと省エネ効果が小さい自動車の効率向上の可能性 ( 一次エネルギー別表示 ) ガソリン車ディーゼル車ガソリンハイブリッド車ディーゼルハイブリッド車 LPG 自動車 CNG 自動車バイオ燃料自動車電気自動車燃料電池自動車 ( 圧縮水素タンク搭載 ) 燃料電池自動車 ( 液体水素タンク搭載 ) 燃料電池自動車 ( 水素吸蔵合金搭載 ) エネルギー消費量 ( ガソリン車 =1) の一次エネルギー別表示 CO 2 排出量 ( ガソリン車 =1) の工程別表示ガソリン車ディーゼル車ガソリンハイブリッド車ディーゼルハイブリッド車 LPG 自動車 CNG 自動車バイオ燃料自動車電気自動車原油燃料電池自動車天然ガス ( 圧縮水素タンク搭載 ) LPG 燃料電池自動車原子力 ( 液体水素タンク搭載 ) 燃料電池自動車石炭 ( 水素吸蔵合金搭載その他 ) 省エネルギー脱石油環境負荷低減効果が大きいのは電気自動車製造走行アメリカ中国ロシアインド日本ドイツフランスカナダブラジル世界の発電用エネルギー構成世界アメリカ中国ロシアインド日本ドイツフランスカナダブラジル % 2% 4% 6% 8% 1% 電源構成石炭石油天然ガス原子力水力地熱風力他可燃再生廃棄物世界アメリカ中国ロシアインド日本ドイツフランスカナダブラジル (EDMC エネルギー経済統計要覧 211 等のデータより著者作成 ) 石炭石油天然ガス原子力水力地熱風力他可燃再生廃棄物石炭石油天然ガス原子力水力地熱風力他可燃再生廃棄物発電用の一次エネルギー使用量 (Mtoe) 同左 (toe/ 人年 )

19 電気自動車の効率向上の可能性 ( 電源による違い ) EV(MIX) EV( 火力 ) エネルギー消費量 EV( 原子力 ).3.15 EV( 太陽光 ).2.15 EV( 風力 ).2.15 ガソリン車ガソリン HV 車 WtW 分析比較 ( ガソリン車 =1) 製造時走行時発電所の電気を使っても効率 3 倍太陽光発電を使うと効率 6 倍.83 EV(MIX) EV( 火力 ) EV( 原子力 ).2 EV( 太陽光 ).4 EV( 風力 ).2 ガソリン車ガソリン HV 車 CO2 排出量製造時走行時 CO2 排出量は発電所の電気で1/4 太陽光発電だと 1/ 国名国別の発電時の CO 2 排出量発電時の CO 2 排出係数 (kg-co 2 /kwh) 日本の排出係数との比較太陽光発電との比較太陽光発電フランス日本 EU イギリスアメリカロシア中国インド CO2 排出量削減の観点からはインド中国ロシアでは最適化した PHEV でも効果は小さく太陽光発電の導入効果がより顕著になる乗用 PHEV の CO 2 排出構造中国での PHEV の CO 2 排出量カタログ燃費換算 16g-CO 2 /km 現状 13g-CO 2 /km EU215 目標 95g-CO 2 /km EU22 目標 /km) CO 2 排出量 (g CO 2 / 電気 ( 日本の発電所 ) 電気 ( 太陽光発電 ) ガソリン二次電池容量 (kwh) 二次電池を除く重量 : 138kg 一日の平均走行距離 : 3km 一日平均走行距離最適二次電池容量日本 27 km/ 日 6 kwh 欧州 39 km/ 日 9 kwh 米国 52 km/ 日 12 kwh 途上国 63 km/ 日 15 kwh 平均走行距離に合わせた最適容量の二次電池 (6~15 万円 ) 搭載が環境問題解決には望ましいが経済的負担が大きく普及しない最適二次電池容量は車体総重量にも比例するので車体軽量化によりPHEV 価格が下がり普及が促進される太陽光発電とPHEVの組合せによるCO2 削減効果は顕著 3 平米の太陽光パネルで毎日 2kWh 発電するので実現の可能性は大この効果を発現させるためにも最適二次電池容量の搭載が不可欠 CO 2 排出量 (g-co 2 /km) 二次電池を除く重量 : 138kg 一日の平均走行距離 : 3km 電気 ( 中国の発電所 ) 電気 ( 太陽光発電 ) ガソリン二次電池容量 (kwh)

CO 2 排出量 (Mt-CO 2 ) 22 年時点での乗用 PHEV の軽量化効果 ( 二次電池価格が低下しても車体軽量化が有効な理由 ) 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 環境に良い方向 22 年 22 年 ( 軽量化率.

により超軽量化することで最適二次電池容量が減り最適効率の PHEV が購入可能範囲となり脱石油と CO 2 削減に大きく寄与する充電時間が短縮化でき高圧充電設備も不要となる充電用太陽光発電設備が小さくでき太陽光利用でさらなる CO 2 削減が期待できるレアメタルの使用量を大幅に減らし PHEV の安定供給に寄与する No Yes CFRP

5, CFRP: 13 円 /kg) 22 年 ( 車体重量.5, CFRP: 1 円 /kg) 22 年 ( 車体重量.

20 CO 2 排出量 (Mt-CO 2 ) 22 年時点での乗用 PHEV の軽量化効果 ( 二次電池価格が低下しても車体軽量化が有効な理由 ) 環境に良い方向 22 年 22 年 ( 軽量化率.5) 経済的にも良くレアメタルも節約二次電池を除く重量 : 138kg 一日の平均走行距離 : 3km 軽 PHEV でのレアメタル削減例 (kg) 車体 + エンジンモーター電池計 imiev 軽 PHEV 超軽量 2 軽 PHEV 二次電池容量 (kwh) 量産 PHEV を CFRTP により超軽量化することで最適二次電池容量が減り最適効率の PHEV が購入可能範囲となり脱石油と CO 2 削減に大きく寄与する充電時間が短縮化でき高圧充電設備も不要となる充電用太陽光発電設備が小さくでき太陽光利用でさらなる CO 2 削減が期待できるレアメタルの使用量を大幅に減らし PHEV の安定供給に寄与する No Yes CFRP 価格を考慮した場合の車体軽量化効果 CFRP 価格 2 円 /kg 13 円 /kg 1 円 /kg 75 円 /kg CO 2 排出量 (Mt-CO 2 ) (Steel 部品 : 平均 25 円 /kg) 22 年 ( 車体重量.5, CFRP: 2 円 /kg) 22 年 ( 車体重量.5, CFRP: 13 円 /kg) 22 年 ( 車体重量.5, CFRP: 1 円 /kg) 22 年 ( 車体重量.5, CFRP: 75 円 /kg) 22 年 ( ベース ) 電池容量 (kwh) CFRP 価格は車両価格に反映され PHEV の普及度合いに影響する CFRP 価格が高すぎると CO 2 削減の観点からは軽量化効果がなくなる ( この結果は支払い意志額等に依存する ) 風車大型化と大きさの目安世界の総発電量は 2TWh/y 原発は1 基で 5TWh/y 風車 (5MW) は1 基で.1TWh/y 世界の電力需要の2% を風力発電でまかなうには5MWの風車が4 万基必要 1.5MW 級ブレード長 35m 級ブレード約 4.5トン 4MW 級ブレード長 5m 級ブレード約 9トン 7MW 級ブレード長 7m 級ブレード約 18トン MRJ9 全長 36m 全幅 3m 最大離陸重量 43 トン B787 全長 56m 全幅 59m 最大離陸重量 22 トン A38 全長 73m 全幅 8m 最大離陸重量 56 トン

用途ごとの世界の炭素繊維需要ポテンシャル保有量単位自家用車トラック風車ブレード旅客機万台 7,@21 1,@23 13,@25 2,6@21 3,8@23 5,@25 12@21 1@23 15@25 1.5@21 3.@23 4.5@25 53@21 2@21 2.5@21.6@21 年間生産量万台 75@23 3@23 5.@23.12@23 1,@25 4@25 6.@25.18@25 1 台あたりの炭素繊維需要量トン.

75 用途ごとの世界の炭素繊維需要ポテンシャル保有量単位自家用車トラック風車ブレード旅客機万台 7,@21 1,@23 13,@25 2,6@21 3,8@23 5,@25 炭素繊維生産能力の 12@21 1@23 15@25 1.5@21 3.@23 4.5@25 53@21 2@21 2.5@21.6@21 年間生産量万台経産省 PJ 75@23 3@23 5.@23.12@23 抜本的向上が不可欠 1,@25 4@25 6.

2 1 時間 5 13 1.25.75 265@21 4@21 5@21 2@21 375@23 6@23 1@23 4@23 5@25 8@25 12@25 6@25 CFRP 生産速度の抜本的向上と経産省 PJ 万トン 2 2 2.

21 用途ごとの世界の炭素繊維需要ポテンシャル保有量単位自家用車トラック風車ブレード旅客機万台年間生産量万台 1 台あたりの炭素繊維需要量トン出典 : 炭素繊維協会モデル 21 炭素繊維の年間需要量工場ごとの生産量理想的な量産プラント数プラントごとの炭素繊維需要量万トン 53@21 75@23 1@25 8@21 12@23 16@25 1@21 2@23 24@25 1.5@21 3.@23 4.5@25 1 年 2, 5, 日時間 @21 375@23 5@25 4@21 6@23 8@25 5@21 1@23 12@25 2@21 4@23 6@25 万トン用途ごとの世界の炭素繊維需要ポテンシャル保有量単位自家用車トラック風車ブレード旅客機万台 7,@21 1,@23 13,@25 2,6@21 3,8@23 5,@25 炭素繊維生産能力の 12@21 1@23 15@25 1.5@21 3.@23 4.5@25 53@21 2@21 2.5@21.6@21 年間生産量万台経産省 PJ 75@23 3@23 5.@23.12@23 抜本的向上が不可欠 1,@25 4@25 6.@ @25 1 台あたりの炭素繊維需要量炭素繊維の年間需要量工場ごとの生産量理想的な量産プラント数プラントごとの炭素繊維需要量トン万トン 53@21 75@23 1@25 8@21 12@23 16@25 1@21 2@23 24@25 1.5@21 3.@23 4.5@25 1 年 2, 5, 日時間 @21 4@21 5@21 2@21 375@23 6@23 1@23 4@23 5@25 8@25 12@25 6@25 CFRP 生産速度の抜本的向上と経産省 PJ 万トンリサイクル性の付与が不可欠省化石資源の視点から考えられる中長期的 CFRP 適用ターゲット一人あたりのの最終エネルギー消費費量 ( 単位 : 石油換算トン / 人 ) 28 年人口一次エネルギー供給量最終エネルギー消費量 OECD 119 百万人 4.56 石油換算トン / 人 3.11 石油換算トン / 人非 OECD 5498 百万人 1.24 石油換算トン / 人.86 石油換算トン / 人 1.6 すべての炭素繊維潜在需要に Conversion loss 1.4 対応した場合の石油消費量 Electricity = 石油換算.1トン / 人以下 Combustible 1.2 Gas 1. Oil Coal 発電時時のロス自家消費転換ロス ( 主に発電時 ) EV? OECD 非 OECD OECD 非 OECD OECD 非 OECD OECD 非 OECD OECD 非 OECD 産業部門運輸部門 ( 主に自動車 ) 家庭業務非エネルギー使用

億トン削減しようというもの n fiber r) Demand of carbo (1 4 ton/year 炭素繊維の需要予測からバックキャストされる重要技術 1 1 1 川中 ~ 下川上 1 自動車年間生産量 1 億台の時代超軽量車 1 台あたりに.

22 粗鋼生産量 : 約 14 億トン基礎素材の世界生産量コークス用原料炭使用量 : 約 7 億トン ( 一人.1 トン ) 世界の石炭消費量 : 約 33 億トン ( うち約 25 億トンは燃料 ) プラスチックス生産量 : 約 2.5 億トンプラスチックス生産用の石油使用量 : 約 5 億トン世界の石油消費量 : 約 4 億トン ( うち約 21 億トンは交通 ) 炭素繊維の生産量 : 約 4 万トン仮に炭素繊維を 1 千万トン生産してもその原料の石油は約 2 千万トンでプラスチックス総生産量の1 分の1 以下石油消費量全体の2 分の1 2 千万トンの石油を使って炭素繊維を作り石油消費量を 1~2 億トン削減しようというもの n fiber r) Demand of carbo (1 4 ton/year 炭素繊維の需要予測からバックキャストされる重要技術川中 ~ 下川上 1 自動車年間生産量 1 億台の時代超軽量車 1 台あたりに.1t の炭素繊維需要ポテンシャルは 1 万トン航空機とレジャーで数万トン上図から導かれる今後の炭素繊維関連重要課題関連する未解決技術周辺の新技術等学術的新課題熱可塑性樹脂用の炭素繊維界面技術超高速加工組立技術炭素繊維の革新的大量製造技術 ( 非可食バイオマス原料も含む ) 熱可塑用の構造設計技術新規加工法の世界標準化高度リサイクル技術炭素繊維関連世界標準化リサイクル ( 炭素繊維の高度再利用 ) 技術により生産量は需要量の約半分にできるバイオマス由来炭素繊維による汎用熱可塑性 CFRPへの供給 ( 家電自動車二次部材等 ) 石油由来低コスト炭素繊維による高性能熱可塑性 CFRP への供給 ( 量産自動車の一次部材等 ) 現在の PAN 系炭素繊維と熱硬化性樹脂による超高強度需要への供給量熱可塑性樹脂の繊維強化理論信頼性評価加工性評価 IT ヘルスモニタとの融合軽量化 +α の付加価値創造プロジェクトの開発技術の汎用性 Load Displacement steel panel E=23GPa, σ=4mpa 3 E/ρ は鉄鋼板の 3.2 倍 σ/ρ は鉄鋼板の 6.3 倍弾性変形範囲は ±1.74% E=23GPa, σ=25mpa 3 E/ρ は鉄鋼板の 3.2 倍 σ/ρ は鉄鋼板の 5. 倍弾性変形範囲は ±1.9% E=23GPa, σ=1mpa 3 E/ρ は鉄鋼板の3.2 倍 σ/ρ は鉄鋼板の3.2 倍弾性変形範囲は ±.43% ご静聴ありがとうございました質問は jun@sys.t.u-tokyo.ac.jp 界面制御によりCFR(T)Pの破壊が十分に延性的になれば強度 (= 最大荷重 ) はそれほど大きな問題とはならず適材適所の強度目標値が設定できる今後様々なプリカーサーと製法の炭素繊維の出現が予想されるがプロジェクトでの中間基材化技術と成形加工技術はこれらに対しても使用可能

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<4D F736F F F696E74202D CC95E28F4390AB82C98AD682B782E98AEE CA48B862E > 発表構成 CFRTP の補修性に関する基礎的研究 Fundamental Research on Repair of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics 指導教員 : 高橋淳教授東京大学大学院工学系研究科システム創成学専攻安全評価工学研究室 37 86346 金正将 1. 研究背景. 材料作成試験方法 3. フレッシュ材の試験結果 4. 補修及び補修材の試験結果