1. CFRP・GFRPとは何か（3行でつかむ）

• 何でできているか：強い繊維（炭素繊維・ガラス繊維）を、高分子の母材（マトリックス）で固めた複合材料です。Hexcel の HexPly® M21 は、強靭化エポキシ樹脂を炭素繊維またはガラス繊維と組み合わせて供給するプリプレグです事実
• 何がすごいか：繊維方向の剛性と強度が極めて高い。Hexcel の M21／IMA 炭素繊維の一方向材は、繊維方向の引張弾性率 178 GPa、引張強さ 3,050 MPa、積層板の密度 1.58 g/cm³です（ASTM D3039、23 ℃、繊維体積率を59%に規格化したメーカー公称値）事実
• 何が難しいか：性質が方向で大きく変わり（異方性）、層の間（層間）と繊維に直角の方向は樹脂と界面が担います。同じ材料の面内せん断弾性率は 5.2 GPa で、繊維方向弾性率の約1/34です事実本稿の計算（178 ÷ 5.2 ＝ 34）

熱硬化性・熱可塑性の基礎は本シリーズ「熱可塑性と熱硬化性」編、エポキシ樹脂は「エポキシ樹脂」編、PEEK などの熱可塑性母材は「PEEKとスーパーエンプラ」編で扱います。 本稿は、繊維と樹脂を組み合わせた材料としての見方に絞ります。

2. 荷重を誰が担うのか ― 繊維、樹脂、界面

同じ M21／IMA の一方向材で、荷重の種類を並べると、桁が変わります事実。

• 繊維方向の引張：強さ 3,050 MPa、弾性率 178 GPa
• 繊維方向の圧縮：強さ 1,500 MPa、弾性率 146 GPa（ASTM D695）
• 層間せん断（ILSS）：97 MPa（ASTM D2344）
• 面内せん断（±45° 引張）：強さ 94 MPa、弾性率 5.2 GPa（ASTM D3039）

圧縮強さは引張強さの約半分（1,500 ÷ 3,050 ＝ 0.49）です本稿の計算。 圧縮では繊維が曲がろうとするのを樹脂が支える必要があるため、樹脂の剛性と界面が効くと整理できます（本記事による解説）。

3. 炭素繊維の作り方

Hexcel の HexTow® IMA は、PAN（ポリアクリロニトリル）系の連続炭素繊維で、12,000本（12K）または24,000本（24K）のフィラメントの束（トウ）として供給されます。フィラメント径は 5.1 µm、炭素含有率は 95.0%、表面処理が施され、層間せん断特性などを改善するためにサイジングが可能です事実。

Mishnaevsky の総説（Materials、2017年）は、炭素繊維の製造を前駆体からの重合、安定化、炭素化に続く表面処理とサイジングの付与と整理し、表面処理は繊維表面を荒らして接着を高めること、サイジング量は0.5〜5 wt%の範囲であることを述べています事実。 Frank らの総説（Angewandte Chemie、2014年）は、前駆体の系としてPAN系共重合体、ピッチ、セルロース、リグニン、ポリエチレン、新しい合成高分子を挙げています事実。

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ORNL（オークリッジ国立研究所）の報告書は、炭素繊維の製造コストの低減を論じる文脈で、前駆体の質量のうち炭素繊維になるのは50%未満であり、製造プロセスのコストが市販炭素繊維の総コストの50%超を占めるとする調査（Kline & Company）を紹介しています事実。 また、従来の熱処理では低温炭素化と高温炭素化が、全く別の炉で段階的に行われるのが通例だと記しています事実。

4. 本稿の計算：混合則で、繊維と複合材料の剛性を結ぶ

5. 素材技術者の視点①：異方性 ― 金属の感覚が通用しない点

比剛性・比強度 ― 密度で割ると何が見えるか

航空や自動車で重視されるのは、密度あたりの剛性と強さです。同じ M21 データシートの値と積層板密度から計算します本稿の計算。

弾性率・強さ・密度は事実（Hexcel HexPly® M21 データシート［参考資料1］。UD は ASTM D3039／EN 2561 B、織物は EN 2597 B／EN 2747）。除算は本稿の計算（単位は GPa・cm³/g と MPa・cm³/g）。繊維体積率と試験規格が行ごとに異なるため、同一条件の比較ではなく、材料の「桁」の違いを見るための表です。

6. 母材（マトリックス） ― 熱硬化性と熱可塑性

母材の役割は、繊維を束ね、荷重を繊維に伝え、繊維を環境から守ることです。母材には大きく熱硬化性と熱可塑性があります。

すべて事実（M21［参考資料1］、RTM6［参考資料2］は Hexcel のメーカー公称値。Tg の「乾燥」は 24 h・105 ℃、「湿潤」は70 ℃の水に14日。熱可塑性は Vaidya と Chawla の総説［参考資料11］）。熱可塑性の個別材料の数値は本稿では扱っていません。

Vaidya と Chawla の総説（International Materials Reviews、2008年）は、高性能熱可塑性ポリマーの登場で熱可塑性複合材料の構造用途が急速に増え、1990年代から繊維強化熱可塑性ポリマーの材料形態と組み合わせが指数関数的に増えて、輸送、自動車、鉄道、船舶、航空宇宙、軍用、建設に用途が広がったと述べています事実。 同総説は、熱可塑性ポリマーの種類、材料形態と含浸の方法、長繊維を用いた成形法、新しい成形法を整理しています。 個別の熱可塑性母材（PEEK、PPS など）の性質は、本シリーズ「PEEKとスーパーエンプラ」編で扱います。

7. 成形法 ― プリプレグ＋オートクレーブ、RTM、熱可塑 CFRP

(1) プリプレグ＋オートクレーブ

プリプレグは、繊維にあらかじめ樹脂を含浸させた半硬化のシートです。M21 は「プレスまたはオートクレーブでの硬化で、硬化後の複合材料の最適な力学特性が得られる」とされ、Hexcel は厚さ15 mm 未満の部品の標準硬化として次の手順を示しています事実。

• 真空（1 bar）を引き、オートクレーブ圧 7 bar（ゲージ）を加える
• 部品の昇温速度が1〜2 ℃/分になるよう180 ℃ ±5 ℃まで加熱する
• 180 ℃ ±5 ℃で120分 ±5分保持する
• 部品を2〜5 ℃/分で冷却し、60 ℃以下で圧力を抜く

厚さ15〜48 mm の部品では、150 ℃で180分の中間保持を入れた2段階の硬化が示され、M21 は「低い発熱挙動により、厚さ48 mm までの厚い構造を単純な硬化で作れる」とされています事実。 ハニカムやフォームを芯材にしたサンドイッチ構造では、圧力は2〜3 bar（芯材の密度による）と低く、135 ℃で60分保持してから加圧し、さらに180 ℃で120分保持します事実。

(2) RTM とインフュージョン

RTM（樹脂トランスファー成形）とインフュージョンは、乾いた繊維の積層体（プリフォーム）を型に置き、低粘度の液状樹脂を注入して含浸させ、そのまま硬化させる方法です（本記事による解説）。 Hexcel の HexFlow® RTM6 は、この用途向けの1液性の航空宇宙認定エポキシで、プロセス温度での粘度は100 mPa·s 未満とされます事実。推奨条件は次のとおりです事実。

• 樹脂を80 ℃に予熱。型の温度は120〜180 ℃の一定温度、注入・インフュージョンのラインは90〜110 ℃
• 真空インフュージョンは5 mbar 未満、RTM のピストン圧力は大気圧〜5 bar
• 硬化は180 ℃で最低90分、後硬化は不要（硬化度 α が90%超）

重要なのは、樹脂を加熱して低粘度にする行為が、同時に反応を進める行為でもあることです。Hexcel の安全・取扱ガイドラインは、加熱した反応性樹脂が適切に管理されないと制御できない発熱（エキソサーム）に至るリスクがあるとして、樹脂の予熱は50〜70 ℃のオーブンで最大12時間、といった上限を示しています事実［参考資料7］。

(3) 熱可塑 CFRP

熱可塑性母材の CFRP は、加熱して溶融・成形し、冷却して固めるため、硬化反応を待つ時間が不要で、再加熱による接合や再成形の余地がある、と整理されます（本記事による解説）。 Vaidya と Chawla の総説は、熱可塑性複合材料の利点としてリサイクル性、高い比強度・比剛性、耐食性、衝撃靭性、コスト効果、設計の自由度を挙げています事実。 一方、熱可塑性の高性能母材は溶融温度が高く、成形温度や設備が熱硬化性とは異なります（本記事による解説。具体的な温度は本稿では扱っていません）。

8. 素材技術者の視点②：硬化は「熱設計」である

9. 界面とサイジング

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Mishnaevsky の総説は、サイジングの役割と構成を次のように整理しています事実。

• ガラス繊維のサイジング：水系の懸濁液（固形分3〜10 wt%）をローラーで付け、100 ℃超で数時間乾燥してサイジングを硬化させる。最低でも被膜形成剤とカップリング剤を含み、被膜形成剤は乾燥サイジングの約80 wt%、カップリング剤は約10 wt%という大規模な調査結果がある
• 被膜形成剤は繊維どうしの損傷から保護するもので、多くは最終製品の母材に近いポリマー（ポリエステル、ポリウレタン、エポキシなど）。カップリング剤は多くがオルガノシランで、ガラス繊維表面とゾル–ゲル反応で共有結合し、母材と反応する官能基を持てば繊維と母材をつなぐ。最もよく使われるシランはアミンまたはエポキシ官能基を持つ
• 炭素繊維のサイジング：炭素繊維は有機物でガラス繊維のような相性の問題はないが、表面が滑らかで不活性なことが多く、サイジングが要る。表面処理は表面を荒らして表面積を増やし、接着を高める。サイジング量は0.5〜5 wt%の範囲で、ストランドの形成、毛羽の低減、加工性の向上、繊維と母材の接着の向上の役割を担う。ポリマー成分のエマルションであることが多い

10. 素材技術者の視点③：界面を測る試験は、繊維の強さを測らない

11. 用途 ― 航空・自動車・風力

(1) 航空

Boeing は 787 について、機体が質量で約50%の複合材料でできており、複合材料は腐食に強く疲労しない（アルミニウムとの対比として）ので、点検の必要と運航停止の時間を減らせる、と説明しています事実（メーカー自身の説明）。 Hexcel の M21 は、データシートで「一次航空構造用の、非常に靭性の高いエポキシ母材」と位置づけられ、特に高エネルギー衝撃に対する損傷許容性に優れるとしています事実。 航空機の一次構造では、衝撃を受けたあとの圧縮強さが重視され、M21 のデータシートには衝撃後圧縮強さ（CAI）が 30.5 J の衝撃で 298 MPa（IM7）、30.0 J で 238 MPa（AS7）、219 MPa（IMA）として載っています（ASTM D7136・D7137）事実。

(2) 自動車

BMW Group の発表によれば、BMW i3 は同社初の炭素繊維強化プラスチック（CFRP）製の乗員室を持つ車で、このライフモジュールはライプツィヒで炭素繊維の織物（スクリム）から成形され、アルミニウム製のシャシー（ドライブモジュール）と結合されます。同社は、ライプツィヒでの車体製造と組立は従来の車両の約半分の時間で済むと述べています事実（メーカー自身の説明）。 自動車では、サイクル時間と材料コストが航空とは別の制約になります（本記事による解説。具体的な数値は本稿では確認していません）。

(3) 風力

Mishnaevsky の総説（Materials、2017年）は、風車ブレードの材料について、次のように述べています事実。

• 材料の観点からは比剛性（剛性÷質量）が重要で、風車は20〜25年の運転を想定し、1億回超の高サイクル疲労と、ボンドライン・サンドイッチ界面の挙動が重要になる
• 主な補強材はE ガラス繊維で、風車ブレード用のガラス／エポキシは最大75 wt%のガラスを含む。UD 複合材料では繊維の体積含有率を上げると剛性・引張・圧縮強さは比例して増えるが、65%を超えると樹脂のない乾いた部分が生じて疲労強さが下がる可能性がある
• 炭素繊維は剛性が高く密度が低いので、より薄く、硬く、軽いブレードを可能にするが、損傷許容性、圧縮強さ、破断ひずみが低く、E ガラスよりはるかに高価。繊維の波打ちや配向のずれに敏感で、わずかな乱れで圧縮・疲労強さが大きく下がる。Vestas と Siemens Gamesa が、大型ブレードの構造的なスパーキャップに炭素繊維複合材料を使っている
• 製造法は、ブレードの大型化で真空補助樹脂トランスファー成形（VARTM）が最も一般的で、プリプレグ（Vestas が使用）も使われる

12. リサイクル

CFRP のリサイクルは、素材技術者にとって、繊維と樹脂を分離して、どちらの価値を取り戻すかという問題です。

• Pimenta と Pinho のレビュー（Waste Management、2011年）は、CFRP 廃棄物の増加を背景に、繊維の回収（リクレーム）と再製造のプロセスの現状を整理し、いくつかの回収・再製造のプロセスが成熟段階に近づき、商業規模の実施例、構造用として競争力のある性能の再生 CFRP、デモンストレーション部品がすでにある一方、リサイクル産業の確立と再生材の市場開発には課題が残る、としています事実
• Oliveux らのレビュー（Progress in Materials Science、2015年）は、再生ガラス繊維は新品の繊維を少量置き換えられるが、熱分解（サーモリシス）や溶媒分解（ソルボリシス）では、経済的・環境的に成り立つほどの高濃度では使えないこと、ハイテク用途から回収した炭素繊維は、同じ用途には戻せず、新しい用途を開発する必要があること、再生繊維を使った材料の特性に合わせた規格が必要なことを述べています事実
• Mishnaevsky らのレビュー（Materials、2021年）は、風車ブレードの寿命末期の管理を扱い、ブレードの補修・再利用・寿命延長が、現時点では他の方法より有利だと論じています。熱可塑性や再生可能な熱硬化性の母材を使った新世代のブレードは、実験室や中小のブレードでは試されているが、大型ブレードへの利用には技術課題が残るとしています事実

13. 課題と、本稿で確認できなかったこと

(1) 炭素繊維の各工程の条件は扱っていない

安定化・炭素化の温度、雰囲気、昇温速度、張力などは、本稿が参照できた公開の一次情報では確認できなかったため、数値を載せていません。ORNL の報告書にある記述（連続炭素化で100 ℃/分超の昇温、2段階の炉）は、ポリオレフィン前駆体の研究の文脈で、一般的な PAN 系の条件とは限りません。

(2) 金属材料との比較は載せていない

アルミニウム合金やチタン、鋼との比剛性・比強度の比較は、同じ条件（試験法・熱処理・形状）を揃えた一次情報を本稿では確認できなかったため、載せていません。図6は、同じデータシート内の材料どうしの比較にとどめています。

(3) 積層板の性質（疲労・衝撃・湿熱）は扱っていない

積層構成による弾性率・強度の計算（古典積層理論）、疲労、湿熱環境での積層板の強度低下は、本稿では扱っていません。第6章の湿熱の計算はニート樹脂のものです。

(4) 熱可塑 CFRP の具体的な成形条件・数値は扱っていない

熱可塑性母材の溶融温度、成形時間、接合（溶着）の強度などの数値は、本稿の調査範囲では扱っていません。Vaidya と Chawla の総説の記述の紹介にとどめています。

(5) 自動車・航空の生産規模、市場規模は使っていない

調査会社による市場規模・シェアの推計は使っていません。Boeing・BMW Group の記述は、各社自身の説明に限っています。Airbus A350 など他機種の複合材料比率は、本稿では公式資料を確認できていません。

14. 用語集

15. 参考資料（一次情報）

1. Hexcel HexPly® M21 180°C (350°F) curing epoxy matrix — Product Data Sheet — hexcel.com
2. Hexcel HexFlow® RTM6/RTM6-2 180°C Epoxy System for Resin Transfer Molding and Infusion Technologies — Product Data Sheet — hexcel.com
3. Hexcel HexTow® IMA Carbon Fiber — Product Data Sheet — hexcel.com
4. ASTM International ASTM D3039/D3039M Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials — store.astm.org
5. ASTM International ASTM D2344/D2344M Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates — store.astm.org
6. ASTM International ASTM D3171 Standard Test Methods for Constituent Content of Composite Materials — store.astm.org
7. Hexcel HexFlow® RTM6/RTM6-2 Safety & Processing Recommendations for Injection & Infusion — hexcel.com
8. Mishnaevsky ら Materials for Wind Turbine Blades: An Overview, Materials 10, 1285 (2017) — doi.org/10.3390/ma10111285
9. Frank ら Carbon Fibers: Precursor Systems, Processing, Structure, and Properties, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 5262–5298 (2014) — doi.org/10.1002/anie.201306129
10. Oak Ridge National Laboratory Norris, Development and Commercialization of Alternative Carbon Fiber Precursors and Conversion Technologies, ORNL/TM-2014/239 (2014) — info.ornl.gov
11. Vaidya ・ Chawla Processing of fibre reinforced thermoplastic composites, Int. Mater. Rev. 53, 185–218 (2008) — doi.org/10.1179/174328008x325223
12. Boeing 787 Dreamliner — By Design — boeing.com
13. BMW Group First of its kind and innovation driver for sustainable mobility: 200 000 BMW i3 produced to date（2020年10月16日） — press.bmwgroup.com
14. Pimenta ・ Pinho Recycling carbon fibre reinforced polymers for structural applications: Technology review and market outlook, Waste Manag. 31, 378–392 (2011) — doi.org/10.1016/j.wasman.2010.09.019
15. Oliveux ら Current status of recycling of fibre reinforced polymers: Review of technologies, reuse and resulting properties, Prog. Mater. Sci. 72, 61–99 (2015) — doi.org/10.1016/j.pmatsci.2015.01.004
16. Mishnaevsky Sustainable End-of-Life Management of Wind Turbine Blades: Overview of Current and Coming Solutions, Materials 14, 1124 (2021) — doi.org/10.3390/ma14051124
17. ISO ISO 1172:2023 Textile-glass-reinforced plastics — Prepregs, moulding compounds and laminates — Determination of the textile-glass and mineral-filler content using calcination methods — iso.org

16. 主張と出典の対応表（監査）

最終更新：2026年10月2日／出典は一次情報（Hexcel の公開データシート、ASTM・ISO の規格ページ、査読論文、米国エネルギー省傘下の研究所の報告書、Boeing・BMW Group の公式説明）に限定しています。 構造の整理や材料設計上の読み取りを含むため、それらは「解説」として出典付きの事実と区別しています。 炭素繊維の各工程の条件、金属材料との比較、積層板の疲労・湿熱、熱可塑 CFRP の成形条件については、公開された一次情報で確認できなかったため記載していません。 物性値はメーカー公称値で、試験法・温度・繊維体積率が値ごとに異なり、グレードの違う値を並べて優劣をつけることはしていません。調査会社の市場規模・シェアの推計は使っていません。 図はすべて説明用の概念図です。図1・図3〜図8はベクター作図、ヒーロー画像と図2はAI生成イメージであり、いずれも実際の製品・顕微鏡像・設備を示すものではありません。