A-13 強靭化プリプレグ

強化カーボンファイバー預浸材：動的負荷条件下での高靭性複合材料のためのソリューション

風力発電、新エネルギー自動車、高級機器など、長期的な動的負荷がかかる分野では、材料の靭性と疲労抵抗性が部品の使用寿命を直接的に決定します。この強靭化カーボンファイバー予備含浸材（プリプレグ）は、専用の強靭化樹脂を主な接着システムとしており、単方向カーボンファイバー予備含浸材とカーボンファイバー布地予備含浸材という2つの主流形態をカバーしています。樹脂とファイバーの効率的な浸透および接着により、硬化後には優れた機械的特性に加えて、優れた湿熱安定性も備え、長期間の振動や衝撃といった動的負荷環境下でも安定して使用できます。従来の高剛性・低靭性という性能限界を持つカーボンファイバー予備含浸材の制約を打破し、風力タービンブレード、自動車シャシーコンポーネント、高級機械構造部品などに対して、強度と靭性のバランスが取れた材料選択を提供します。

主要な利点：耐久性の飛躍的向上、安定した性能、およびシーンへの適応を多面的に保証

1. 専用の強化樹脂により、材料の耐衝撃性および疲労抵抗性を大幅に向上

強化樹脂は本プリプレグの核心技術ポイントです。従来の一般的な樹脂とは異なり、「エポキシ樹脂＋コアシェル構造強化剤＋柔性鎖分節改質剤」の複合配合を採用しており、分子レベルでの設計によって樹脂の靭性を最適化しています。コアシェル構造強化剤は、樹脂が硬化後に微小な弾性粒子を形成します。材料が衝撃を受けると、これらの粒子が衝撃エネルギーを吸収し、亀裂の急速な進展を防ぎます。また、柔性鎖分節改質剤は樹脂分子鎖の柔軟性を高め、長期間にわたる動的負荷下での材料内部の応力集中を低減します。

権威ある試験によると、この強靭化カーボンファイバー予備含浸材（プリプレグ）の靭性指数は著しいブレークスルーを達成しています。単方向カーボンファイバー予備含浸材で作製された複合材料は、従来のカーボンファイバー予備含浸材と比較して、衝撃靭性が60％以上向上し、破断伸びが45％増加しています。また、カーボンファイバー布地予備含浸材のせん断靭性は55％改善されています。動的荷重試験を100万サイクル実施後も、機械的性能の保持率は依然として90％を超え、一般的な予備含浸材の平均75％を大幅に上回っています。風力タービンブレードを例に挙げると、この強靭化予備含浸材を使用することで、強風による振動環境下でのブレードの疲労寿命が20年以上に延長され、従来材料と比べて30％向上し、風力発電設備のメンテナンスコストを大幅に削減できます。同時に、製品の密度は5％以下と厳密に管理されており、繊維と樹脂の均一な分布を確保し、局所的な密度不足による靭性の弱点を回避しています。

2. 異なる動的負荷シナリオの応力要件に適応した、二重形態の製品カバレッジ

製品ファミリーには、一方向性カーボンファイバー預浸材およびカーボンファイバー布地預浸材が含まれており、異なる部品の応力特性や動的負荷の種類に応じて柔軟に選択可能で、「ニーズに応じたマッチング」という性能上の利点を実現します。

• 一方向炭素繊維プリプレグ： 高直進性カーボンファイバーを一方向に配向させ、繊維の方向一致率は99.5%以上で、軸方向動的負荷条件下での性能が非常に優れています。風力タービンブレードの主梁、新エネルギー車両のシャシー縦梁、高級工作機械の伝動軸など、長期的な引張および曲げ振動に耐えうる構成部品に適しています。軸方向の疲労抵抗性に優れ、10Hzの高周波振動環境下で5000時間連続運転しても著しい性能劣化がなく、動的負荷下における構造的安定性要件を満たします。
• カーボンファイバー布地プレグ： 平織および綾織の生地に基づいており、優れた面内等方性特性と多方向への衝撃およびせん断振動に対する高い耐性を備えています。新エネルギー車のバッテリーパック用コリジョンビーム、高級機器用ジョイントコネクタ、風力タービンブレードの根元部分など、複雑な形状を持つ部品や不均一な動的荷重がかかる部品に適しています。この布地構造はプリプレグの応力分散を改善します。局所的な衝撃を受けた場合、エネルギーをすぐに布地全体に伝達でき、局所的な破損を回避し、部品の破損に対する耐性を高めます。

2種類のプリプレグを組み合わせて使用できます。例えば、風力タービンブレードでは「一方向プリプレグ（メインビーム、軸方向振動防止）＋布地プリプレグ（ブレード根元、せん断衝撃防止）」という設計を採用することで、異なる部位の動的荷重要求に対応しつつ、材料性能を最大限に引き出すことができます。

3. 優れた湿気および高温安定性で、複雑な使用環境に適しています

動的負荷シナリオは、高温多湿や高低温度の繰り返しなどの複雑な環境条件に伴われることが多いです。従来のカーボンファイバー預浸材（プレグ）は、樹脂の吸水や熱膨張・収縮により界面破壊が生じやすく、これが靭性や機械的特性に影響を及ぼします。一方、本強靭化カーボンファイバープレグは、樹脂配合の最適化および含浸プロセスの改善により、優れた湿熱安定性を実現しています。強靭化樹脂に添加された疎水性成分により、吸水率を低減できます。85℃、相対湿度85%の高温多湿環境に1000時間浸漬した後でも、吸水率は依然として1.5%未満であり、一般的なプレグの業界平均値3%を大幅に下回っています。同時に、樹脂とカーボンファイバー間の界面接着強度が25%向上しており、温度変化による界面の剥離を効果的に抑制できます。

実用的な応用において、この性能上の利点は特に重要です。例えば、新エネルギー車両のシャシーコンポーネントに使用する場合、-40℃～120℃の極端な温度サイクルに耐えられ、雨天、雪天、湿気の多い環境下でも安定性と靭性を維持できます。また、洋上風力タービンブレードに使用する場合は、高塩分噴霧および高湿度環境による侵食に耐えられ、湿熱老化によるブレード靭性の低下を回避できます。試験結果によると、本製品は高温多湿環境下での動的疲労寿命が従来のプレグレグより40％向上しており、部品のライフサイクル全体を通じた性能信頼性を確保しています。

4. 大規模生産のニーズに対応できる成熟したプロセス適応性

この強化カーボンファイバー預浸材は、顕著な性能上の利点を持ちながらも、優れたプロセス互換性を維持しており、熱間プレス成形、圧縮成形、真空バッグ成形などの主流な複合材料製造プロセスと互換性があります。企業による追加の設備改造を必要とせず、生産の障壁を低減します。

• 熱間プレス成形： 航空宇宙部品など、非常に高い精度と性能が要求される高級部品に適しています。均一な圧力（0.8～1.5MPa）と温度（120～150℃）で制御され、強靭化樹脂が繊維に完全に浸透することで、成形品の靭性均一性は98％以上に達し、局所的な性能差がありません。
• 圧縮型: 新エネルギー車や風力発電などの大規模生産シナリオに適しており、成形効率が高く、単一バッチの生産時間を40～60分以内に制御可能。圧縮成形プロセスにより部品サイズを正確に制御でき、後続の加工工程を削減し、生産コストを低減できます。
• 真空バッグ成形： 大型部品（例：15メートルを超える風力タービンブレード）に適しており、真空負圧によって樹脂の流動と排気を実現します。熱圧釜技術と比較して成形コストを35％削減でき、同時に強靭化樹脂の完全な性能を確保します。

さらに、本製品は優れた保存安定性を備えており、-18℃の低温環境下で6か月以上保管可能です。取り出した後は長時間の温め直しが不要で、そのまま生産に投入できるため、生産待機時間を短縮し、工業的バッチ生産のペースに適応できます。

5. 差別化設計による市場競争力の構築

一方で、樹脂組成、繊維選定、強靭化プロセスにおいて差別化された革新を実施しています。例えば、独自に開発したコア・シェル構造の強靭化剤は、 toughness（靭性）とrigidity（剛性）の間で精密なバランスを実現可能であり、「強靭化すれば剛性が低下する」という業界の課題を回避しています。これにより、製品は靭性を向上させた状態でも、軸方向引張強度を1750MPa以上維持できます。

一方で、顧客のニーズに応じて強化レベル（「中程度強化」から「高強化」までカスタマイズ可能）、ファイバー表面密度（100～800g/㎡のフルカバレッジ）、および樹脂含有量（35％～50％の可変範囲）を調整可能な柔軟なカスタムサービスを提供しており、さまざまな動的負荷シナリオにおける個別ニーズに対応しています。例えば、新エネルギー車両の衝突防止ビームの需要に対しては、「高衝撃靭性」のユニディレクショナルカーボンファイバープリプレグをカスタマイズ可能であり、風力タービンブレードの需要に対しては、「高温多湿環境下での安定性と強靭性」を持つカーボンファイバーファブリックプリプレグをカスタマイズすることで、均質化競争による市場圧力を回避できます。