高比圧縮と引張強度を兼備する最新型FRP構造材料の創製

概要

４版

様 式 Ｃ−１９、Ｆ−１９−１、Ｚ−１９ （共通）

科学研究費助成事業  研究成果報告書
令和

元 年

６ 月 １２ 日現在

機関番号： １３６０１
研究種目： 挑戦的萌芽研究
研究期間： 2016 ∼ 2018
課題番号： １６Ｋ１４１１３
研究課題名（和文）高比圧縮と引張強度を兼備する最新型FRP構造材料の創製

研究課題名（英文）Development of new FRP structural material which combines high specific
compression strength and high specific tensile strength.
研究代表者
鮑 力民（BAO, Limin）
信州大学・学術研究院繊維学系・教授

研究者番号：１０２６２７００
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）

2,900,000 円

研究成果の概要（和文）：繊維強化複合材料(FRP)は高強度･高弾性率で, 広い分野に普及し発展している. FRP
の圧縮強度は, その引張強度よりも大きく低くなっている. 機械構造では引張応力だけでなく, 圧縮応力も多く
受けているため, FRP圧縮強度の向上は必須である. 本研究では（a）FRP用の強化繊維の周りにフィラメントを
巻き付けるフィラメントカバー方法を提案する,（b）フィラメントカバーした強化繊維束を使用し, FRPを成形
し, その力学特性を評価した. 試作結果は, フィラメント被覆炭素繊維束に成形したCFRPが従来のCFRPよりも著
しく優れた圧縮特性と高い曲げ強度を示し, 方法の有効性を確認した.

研究成果の学術的意義や社会的意義
提案したフィラメント被覆炭素繊維束を利用した高比圧縮強度をもつFRP構造体が実現することにより, FRP構造
材料の圧縮部位にある材料の３割以上が節約可能になり, 飛行機や車の機体はさらに軽くなり, 材料使用量が大
幅に削減でき, 省資源, 省エネルギーをもたらす. 本研究で扱う繊維工学技術は世界で初めての試みである.
FRP圧縮問題の解決法では, 学術的に新研究方向と新解析法を提示した.

研究成果の概要（英文）：The compressive strength of unidirectionally fiber reinforced FRP is lower
than the material’s tensile strength. Application of a bending load to a mechanical structure’s
FRP shell results in a tension side and a compression side. Because FRP has low compressive
strength, the shell’s compression side fails first, making it necessary to sacrifice the material’
s tension characteristics and to use more material that would otherwise be necessary when designing
structures. We (a) propose the filament cover method for wrapping filament around the reinforcing
fibers in unidirectionally fiber reinforced FRP, (b) mold FRP using prototype reinforcing fiber
bundles, and (c) evaluate the material’s compression and bending characteristics. Results indicate
that FRP molded into filament-covered carbon fiber bundles exhibits significantly better compression
characteristics than conventional CFRP as well as high bending strength, indicating the
effectiveness of the proposed method.

研究分野： 複合材料工学、繊維応用力学
キーワード： FRP 圧縮強度 カバーリング

様

式 Ｃ−１９、Ｆ−１９−１、Ｚ−１９、ＣＫ−１９（共通）

１．研究開始当初の背景
繊維強化複合材料(FRP)は異なる材料(高強度繊維・母材)を組み合わせて作られたもので,単一材
料にはない優れた強度特性を持つ. FRP は比弾性率と比強度が金属材料に比べて極めて大きいた
め，小型化・軽量化の時代的要求に合致し，宇宙機器，航空機，船舶，自動車，スポーツ用品な
ど広い分野で用いられている．
FRP は強化繊維軸方向には大きな引張り強度が得られるが, 圧縮荷重に対し
ては 繊維が細いため座屈し易く圧縮には弱い（図１）. Roelof らの研究による
と圧縮/引張強度の比は，カーボン繊維複合材（CFRP）が 0.61, ガラス繊維
（GFRP）が 0.49, ケブラー繊維（AFRP）が 0.15, ダイニーマ繊維（UFRP）が
0.1 であった. 構造物の多くは曲げや圧縮状態で使用されるため, それらを設計
する際にはやむを得ず材料の引張り特性を犠牲にして, 材料を多く(30%以上増
量)使用しており, 省エネ時代の要請と逆行している．このことから高圧縮特性

図 1.FRP
繊維軸方
向の圧縮

も兼備する革新的 FRP 構造体の開発は現代社会において重要な技術的要請とい
える.
２．研究の目的
高強度･高弾性率の繊維強化複合材料(FRP)は, 航空宇宙など幅広い分野に普及し使用されて
いるが, FRP は, 繊維軸方向の圧縮強度と引張強度の比は低い．飛行機などの構造材では曲げ荷
重に耐えるために圧縮変形部に繊維を多用して補強しているが、引張り強度の低下を招く．この
トレードオフの関係の改善が求められている. 本研究では, FRP の繊維軸方向の圧縮特性を向上
するために, 座屈長さを実効的に短くするよう強化繊維束（フィラメントヤーン）をカバリング
補強して, FRP の圧縮特性を格段に向上させる手法を提案する. 本研究により，曲げ荷重を受け
る構造材料の更なる軽量化が可能となることは繊維構造材料分野では画期的なことで，省エネ
ルギー社会に一層の貢献ができるものと考えている.
３．研究の方法
FRP の圧縮強度を向上させるために, 繊維束(ヤーン)の座屈荷重の向上が重要である. そこで
繊維束に結束バンドを付与して座屈長さ(L)を実効的に短くし, 座屈荷重を向上させることを提
案する（図２）. 繊維工学では, 布の手触りをよくするために, 伸びやすい繊維を固い繊維の表
面に巻き付ける技術が知られている（カバリングヤーン法).

しかし本研究開発では逆の組み合

わせとなり, 伸びにくい繊維(CF, PF など)をそれより弾性率の小さい繊維の表面に巻き付ける．
そのための技術は未確立である.

本研究では, 伸びにくい繊維に弾性率が小さ

い繊維束をカバリングできる新型の機構を設計し,大量に連続的にバンド付ヤ
ーンを試作できる機械を試作する.圧縮と曲げテストなどの評価と, 圧縮強度が
増加するメカニズムを解明し, 最適なパラメータを見つけることで, 引張のみ
ならず圧縮でも高比強度が可能な FRP 構造体(圧縮/引張強度の比が 0.90 以上)
を目指して, さらなる軽量構造を代表する省エネルギー構造設計の実現に努め
る.
４．研究成果
4.1 フィラメントカバリング法とその一方向繊維強化 FRP 作成の提案
FRP の圧縮強度を向上させるために, 強化材とした繊維束の座屈荷重の向上が重要である. 連
続・大量生産できると考慮して 結束バンドを付与方法として, 繊維工学におけるカバリング法
を採用し, 図 3 のようなフィラメントカバリング強化繊維束を取り入れる.

フィラメントカバリング強化繊維束を並べて, 一方向シートを作成し, 曲げサンプルの圧縮側に
セットし, 普通の強化繊維束でできた一方向シートを引張り側にセットする. 樹脂を繊維束に含
浸し, 硬化して, 図 4 のように一方向繊維強化 FRP を完成する.
Covered fiber bundle
Filament

Unidirectional FRP
Tension side

Fiber bundle (Reinforcement)
Unidirectional fiber sheet

Compression side

Fiber bundle

L

Filament covering
Unidirectional fiber sheet

図 3 Schematic diagram of a filament cover

Resin

図 4 Outline of the FRP structure for bending test

carbon fiber bundle.
今まで繊維工学に使用されている繊維のカバリング法と機械では, 柔らかいフィラメントで
芯材の繊維をカバリングしている. その機械をそのまま使用すると, 弾性率が大きく, 摩耗に弱
いフィラメントには毛羽が大量に生じ, 破断してしまい, カバリング強化繊維束の作成が不可能
である. ここで,

図 5(a)のような機械を制作した. ウィングの先端に, 繊維との摩擦を低減する

ために表面にテフロンでコーティングしたセラミックスガイドを採用した. ガイドでは繊維を
折れないように小曲率曲面を設けた. それで作成した PBO フィラメントカバリングカーボン繊
維束(SCCF)の拡大写真を図 6 に示す. 毛羽なく, フィラメントが綺麗にカバーしていることを示
している.

Wing

PBO filament
Bobbin
Carbon fiber bundle
(b)

(a)

図 5 Outline of a filament covering machine

図 6 An example of PBO filament covered carbon
fiber bundle (SCCF)

Wing

PBO filament
Bobbin
Carbon fiber bundle
(a)

図7

(b)

Outline of a double filament covering machine

図 8 An example of double PBO filament covered
carbon fiber bundle (DCCF)

図 5(b)の拘束メカニズムを考えると, もっと拘束効果がよいと考えられるダブル方式も試み
た. 図 7(a)はその作成機械で, ボビンに 2 本 PBO フィラメントを同時に巻き付け, 2 本ウィング
で, カーボン繊維束に巻き付け, ダブル PBO フィラメントカバリングカーボン繊維束(DCCF)に
なる. 図 8 は作成した DCCF の拡大写真で, カーボン繊維束の露出は SCCF より少なく, 更に締
め付けられていることが分かる.

4.2 提案方法で作製した CFRP の力学特性
JIS K 7074 に基づき 3 点曲げ試験法を用いて, サンプルの曲げ特性を評価する. 測定した曲げ
弾性率のまとめは図 9 に示す. 強化繊維束をフィラメントでカバーすると, わずかながら大きく
なった. シングルとダブルカバリングの差は認められなかった. これは, 曲げ弾性率は, 負荷初
期の特性で, カバリングとの影響が少なかったと考えている.
図 10 は, 各サンプルの曲げ強度である. 普通の CFRP より, PBO フィラメントカバリングカー
ボン繊維束で作成したサンプルの曲げ強度は大幅に向上した. SCCF/CFRP と DCCF/CFRP は

80

400
200

0

0
図 9 The bending elastic modulus

図 10 The bending strength

(FRP, SCCF/CFRP, DCCF/CFRP).

(FRP, SCCF/CFRP, DCCF/CFRP).

800

400
200

SCCF/CFRP

600

CFRP

Compressive Strength(MPa)

DCCF/CFRP

600

SCCF/CFRP

20

800

CFRP

40

DCCF/CFRP

SCCF/CFRP

60

Bending Strength(MPa)

1000

CFRP

Bending Elastic Modulus(GPa)

CFRP より, それぞれ 20%と 36%向上した.

0
図 11 The in-plane compressive strength

(a)

FRP

(b) SCCF/CFRP

図 12 Schematic for improving compressive
strength of FRP

(CFRP, SCCF/CFRP).

JIS K 7076 炭素繊維強化プラスチックの面内圧縮試験方法に基づき圧縮試験を行い, フィラ
メントカバリング法を用いた FRP の圧縮特性の向上を確認する．FRP の面内圧縮試験の結果は
図 11 に示す. PBO フィラメントカバリングカーボン繊維束を用いた SCCF/CFRP の圧縮強度は

普通の CFRP より大きくなった. SCCF/CFRP のサンプルが高曲げ強度になったのは, フィラメン
トカバリングによりサンプルの圧縮強度が向上された効果である.
破断面の SEM 観察によると, FRP の圧縮側で座屈破壊を起こしている炭素繊維一本一本が独
立して座屈を引き起こして破壊が起こっている．この概要図は図 12(a)に示す．対して，
SCCF/CFRP は圧縮側で座屈破壊が起きているが，CFRP のように繊維が独立して座屈せずカバ
リング法を用いたことによりカバリングしている何本かの繊維を束にして全体で破壊を起こし
ている様子が分かった(図 12(b))．それでカバーにより座屈荷重を向上して, 圧縮強度の向上に繋
がった. 特に,

FRP 板の圧縮側の破壊ではなく, 引張り側が破壊していることから, 提案したフ

ィラメントカバリング強化繊維束法は, 一方向繊維強化 FRP の圧縮強度の大幅な向上に有効で
あると証明した.
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕
（計 22 件）5 件のみ記載する
1.

Limin BAO, Kentarou SUZUKI, Jian SHI, Development of a Simple Molding Method for Continuous
Fiber Reinforcement FRP in Shapes with Highly Curved Corners, Journal of Textile Engineering, 65,
2, 19-24(2019)査読あり DIO:10.4188/jte.65.19

2.

Limin BAO, Takuya OKAZAWA, Anchang XU, Jiang SHI, A simple repair method for GFRP
delamination using ultraviolet curable resin, Advanced Composite Materials, 27, 3, 349-259(2018)
査読あり https://doi.org/ 10.1080/09243046.2017.1381897

3.

Fangtao Ruan and Limin Bao, Effect of covering filaments on the compression performance and
failure mechanism of unidirectional fiber-reinforced plastic, Polymer Composites, 39(1), 247–
253(2018) 査読ありhttps://doi.org/10.1002/pc.23924

4.

Limin BAO, Yanling WANG1, Takeichiro BABA, Yasuhiro FUKUDA, Kaoru WAKATSUKI,
Hideaki MORIKAWA, Development of a high-density nonwoven structure to improve the stab
resistance of protective clothing material, Industrial Health, 55, 513-520 (2017) 査 読 あ り
https://doi.org/ 10.2486/indhealth.2017-0123

5.

Fangtao Ruan, Limin Bao. Improved longitudinal compression performance of a unidirectional fiber
reinforced composite with a filament covering. Polymer Composites, 37(11), 3127-3133(2016). 査
読あり DOI: 10.1002/pc.23510

〔学会発表〕
（計 15 件）1 件のみ記載する
1.

Limin Bao, Ryo Sakurada, Fangtao Ruan, Improvement of compressive performance of fiber
reinforced plastic by the textile technology, Cross-straits Conference on Textiles, 27 May, 2017,
Taizhong, TAIWAN, Oral & Invited

〔図書〕
（計 2 件）1 件のみ記載する
1. ...

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