繊維強化プラスチック(FRP)

繊維強化プラスチック(FRP)

繊維強化プラスチック(FRP)とは、プラスチック系の複合材料のひとつで、繊維を何らかの媒体中に分散させて結合したプラスチックである。FRPとは、Fiber Reinforced Plasticsの頭文字である。多くの種類があり、ガラス繊維(glass fiber)を用いたものをガラス繊維強化プラスチック(GFRP)、炭素繊維(carbon fiber)を用いたものを炭素繊維強化プラスチック(CFRP)という。

複合材料

複合材料とは、金属やプラスチック、セラミックスなど、2種類以上の異なる材料を組み合わせることにより、単一材料では得られない機能や性質をもたせた材料である。これらの材料は、それぞれの素材を繊維状・微粒子状にして、積層したり、混合したりすることによって、板材や棒材を成形する。

ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)

ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)とは、ガラス繊維を常温・常圧のまま熱硬化樹脂で硬化させた素材である。1940年代にアメリカで開発された。もろい熱硬化性樹脂にガラス繊維を複合化することにより、引張強さや曲げ強さ、衝撃強さなどを強化できる。軽くて強く耐熱性、耐水性、断熱性、耐薬品性などの面でも優れた性質をもつ。ただし、熱硬化性の樹脂を使用するため、廃棄物としての処理が難しくコストがかかってくる。なお、ガラス繊維強化プラスチックは、浴槽や船体、水槽、ヘルメット、自動車のバンパー、薬品タンクや容器、各種化学プラント機器、棒高跳びのポールなどがある。

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は、鉄の約4分の1の軽さで約10倍の強度があることに加えて、耐熱性、低熱膨張率、化学的安定性などの面でも優れている。炭素繊維強化プラスチックの用途としては、航空機や船舶の構造材、コンクリート構造物の補強用材から、テニスラケットや釣ざおといった生活用品まで幅広い。

炭素繊維

炭素繊維とは、炭素を繊維状にしてつくられる高強度・高弾性の繊維のことである。現在、工業生産されている炭素繊維には、原料別の分類としてアクリル繊維を燃焼させてつくるPAN(ポリアクリロニトリル)系、石炭や石油原料からつくるピッチ系およびレーヨン系などがある。日本での炭素繊維生産は1970年代初期からPAN系と物理的性質が方向によって違いがない等方性ピッチ系、1980年代後期から異方性ピッチ系炭素繊維が加わった。炭素繊維が単独で使用されることはまれで、通常は樹脂・セラミックス・金属などを母材とする複合材料の強化のために利用される。ここで用いられる樹脂には、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などがある。

等方性と異方性

金属材料はどの方向からでも同じ性質をもつ等方性の材料に対して、複合材料に用いられる繊維は、方向によって性質が異なる異方性をもつことが特徴である。
異方性の材料では、ある方向から引張ると強度が大きいが、ある方向から引張ると強度が小さいというようなことが発生する。この異方性の性質を解消するため、複合材料はそれぞれの層の繊維方向を考慮しながら、樹脂で固めていくという製造を行う。
なお、1枚のシートの繊維方向は、その織り方によってさまざまなものがある。とくに方向を定めずにランダムな繊維方向をしているものをチョップドストランドマット、一方向に引きそろえた繊維に各種樹脂を含浸したシートをプリプレグという。このほか、面状に織ったものや三軸に織ったものもある。