CNF（カーボンナノファイバー不織布）を活用した、複合材料製品の開発 №3-1 緒言 CFRPは金属材料に比べ、比強度、比剛性に優れ、疲労強度、耐腐食性にも優れる事から、主要な航空機構造材料として位置づけられている。一般的にCFRPの成形は、炭素繊維の積層、成形、樹脂含浸、オートクレーブによる硬化　の4工程から成形される。炭素繊維を接着する為に、樹脂を使用するが、その為に炭素繊維の層間剥離が問題視されている。それを解決する手段として有効視されているカーボンナノファイバー不織布の研究を行った。 CNF（カーボンナノファイバー不織布）の製造方法 CNFの製造工程工程1　エレクトロスピニング法によるアクリルナノファイバー不織布の製造例工程2 耐炎化処理工程3 炭化焼成処理（CNF化）特徴熱収縮大熱収縮小炭素化（不純物除去）製造条件常温 220℃ 1100℃ ※　最大の性能を得る為には、上記３つの工程が必要である。エレクトロスピニング法の説明アクリル溶液を直流高圧電流でノズルから飛ばし、細分化する事で、直径がナノレベルの繊維から成るアクリルナノファイバー不織布を製造する方法。ドラムコレクターナノファイバー化した繊維をドラムの表面に捕集する。ノズル　ここから原料溶液が吐出される。ノズル先端の様子＋電極　ノズルに＋電荷をかける。シリンジ　ここに原料溶液が保持されノズルより吐出される。工程１　アクリルナノファイバー不織布製造条件について検討を行った結果を以下に示す。原料樹脂液濃度低い繊維の太さは細いが、液滴状の太い部分が発生する。 A 繊維径　50～150nm 液滴部　200nm以上原料樹脂液濃度最適この条件でエレクトロスピニング実施繊維の太さは比較的均一である。 B 繊維の重なり合い、密度も均一である。繊維径　150～250nm C 原料樹脂液濃度高い繊維の太さムラが大きい。繊維の重なり合い、密度ムラが大きい。繊維径　600～1000nm №3-2 工程2、工程3　カーボンナノファイバー不織布製造条件の検討を行った結果を以下に示す。不良条件良条件（当社選定条件）割れ皺耐炎化処理温度　200℃ 炭化焼成温度　1200℃ 耐炎化処理　220℃ 炭化焼成処理　1100℃ 2009年より研究を開始し、2010年には11cm×11cm（4.3in×4.3in）サイズのCNFが出来た。 2012年現在、35ｃｍ×12cm（13.8in×4.7in）サイズの厚み、密度を安定させたCNFを製造できている。 CFRPの層間剥離防止方法の検討カーボンナノファイバー不織布の特徴は、炭素繊維クロスに比較して表面積が非常に広い事である。（約８００㎡/ｇ）この特徴を生かし、我々が検討しているのは、炭素繊維の層間に発生する樹脂層をなくす為、炭素繊維の層間にCNFを挿入して積層し成形する事で、樹脂層をなくし炭素繊維の層と層の間の接着性を向上させる方法である。通常CFRP断面 CNFを層間に挿入したCFRP断面拡大写真炭素繊維層（たて糸）樹脂層炭素繊維層（よこ糸） ①積層性と成形性の評価 CNF層 CNFが層間に入る事で樹脂層は無くなる。炭素繊維織物とCNFを交互に積層し積層性を確認した所、CNFと炭素繊維織物とのなじみ性は良かった。この積層品を成形し、超音波探傷と表面観察を行ったが、成形性に問題がない事を確認した。 ②衝撃後圧縮強度試験（Compression After Impact strength　CAI　TEST） CNFを層間に挿入して作成したCFRP板を用いて、衝撃後圧縮強度試験を行った。試験方法は　SACMA（Suppliers of Advanced Composite Materials Association）　SRM　2R-94法で衝撃エネルギーは6.67J/mm（1500in‐lb/in）で行った。試験結果Ｃ CN ＦＲ入F ＰりＣＦＲＰ試験前　超音波探傷画像図1 落錘後のCFRP板超音波探傷画像図3 №3-3（完）グラフ1 衝撃後圧縮強度グラフ 200 195.6 CNF無し 180 195 図2 図4 剥離部）a190 PM （ht gn185 ert SI180 AC 179.9 175 170 CNF有り CNF無し剥離部図１、図２の試験前超音波探傷画像より、CNFをCFRP層間に挿入しても成形性に問題は無かった。図３、図４の落錘後の超音波探傷画像より、落錘後の剥離面積はCNFが入る事で約２０％減少した。グラフ１より衝撃後の圧縮強度は、CNF使用により通常CFRPに対して約１０％高い値を示した。 ③剥離試験剥離試験条件巾2.5ｃｍ（1in）×長さ25cm（10in）の炭素繊維織物を2枚用意し、長さ12.5ｃｍ（5in）の部分を接着した。2枚の炭素繊維織物の層間、接着部分に対してCNFを入れた物と入れない物を作成した。次に、接着部を剥離させて、剥離強度を調査した。試験片試験状況剥離試験結果剥離面の写真 CNF無し図図 CNF有りグラフ2 剥離強度グラフ 800 750 f）g（ 700 度650 強離剥 CNF有り 750 CNF無し 625 図5、図6の色の白い部分が接着に寄与している部分である。図5と比べると、図6はほぼ全面で接着していると思われる。炭素繊維織物の層間にCNFを挿入する事で接触面積が拡大し、グラフ2より、剥離強度は約２０％向上した。（度強離600 剥 550 500 CNF有り 750 まとめ CNFの基本的な製造技術を獲得する事が出来た。 CFRPの層間にCNFを挿入する事で、CFRPの耐衝撃性、剥離強度が向上する効果が得られた。今後、CNFの濡れ性を向上させる為、製造方法や、界面活性剤の使用を検討する。以上