複合材料の国内外の発展概況

高性能複合材料は複合材料全体に含まれており、高性能は相対的なものであるため、国内外の発展概況を述べ、複合材料全体を論述するのがよい。複合材料は基体の種類によって樹脂基複合材料、金属基複合材料、陶磁器基複合材料、セメント基複合材料などに分けることができる。

（一）樹脂系複合材料の国内外の発展概況
樹脂系複合材料は最初に開発され、産業化されたため、応用面が最も広く、産業化の程度が最も高い。基体の熱受容挙動に応じて熱可塑性複合材料と熱硬化性複合材料に分けることができる。

1.熱硬化性樹脂系複合材料

熱硬化性樹脂系複合材料とは、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂を基体とし、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維などを補強材料として製造された複合材料をいう。

樹脂系複合材料は1932年に米国で誕生して以来、70年近くの発展の歴史を持っている。1940〜1945年の間に米国は初めてガラス繊維でポリエステル樹脂を強化し、手糊技術で軍用レーダーカバーと航空機油タンクを製造し、樹脂系複合材料の軍事工業への応用に道を開いた。1944年にアメリカ空軍は初めて樹脂系複合材料のサンドイッチ構造で航空機の胴体、翼を製造した、1946年に繊維巻き成形が米国で特許を取得した、1950年に真空袋と圧力袋の成形技術の研究に成功し、ヘリコプターのプロペラの試作に成功した。1949年にガラス繊維プレミックスの開発に成功し、伝統的なダイ法を利用して表面がつややかな樹脂基複合材料部品をプレスした、1960年代、米国は繊維巻き付け技術を用いて「北極星A」ミサイルエンジンケーシングの開発に成功した。手ペースト成形プロセスの生産性を高めるために、この間にスプレー成形プロセスは発展と応用を得て、生産効率を2－4倍に高めた。1961年にドイツはシート状モールドプラスチック（SMC）の開発に成功し、モールド成形技術を新レベル（中圧、中温、大メサ製品）に到達させた、1963年に樹脂系複合材料板材の工業化生産が開始され、米、仏、日などの国は相次いで高生産量、大幅広連続生産ラインを建設し、そして透明複合材料とそのサンドイッチ構造板材の開発に成功した、1965年に米国と日本はSMCで自動車部品、浴槽、船上部材などを制圧した、引張押出成形技術は1950年代から始まり、60年代中期に連続化生産を実現し、棒材のほかに細管、角形、工字形、溝形などの形材を生産し、70年代になると引張押出技術に重大な突破があり、現在米国では引張押出成形ユニットの生産が最も先進的で、その製品の断面は76×20 cm 2に達し、そして環方向巻取り機構が設計されている。70年代に入り、樹脂反応射出成形（RRIM）の研究に成功し、手糊技術を改善し、製品の両面をつややかにし、衛生衛生器具、自動車部品などの生産に使用されている。70年代初めに熱可塑性複合材料が発展し、その生産技術は主に射出成形と押出成形であり、短繊維強化プラスチックの生産にのみ用いられた。1972年に米国PPG社はガラス繊維フェルト強化熱可塑性シート状プラスチック（GMT）の開発に成功し、1975年に生産を開始した。その最大の特徴は成形周期が短く、廃棄物がリサイクルできることである。80年代にフランスでは湿式法による熱可塑性シート状モールドプラスチック（GMT）の製造に成功し、自動車製造産業に成功した。遠心鋳造成形技術は1960年代にスイスで始まり、80年代に発展し、英国はこの方法で10 mを生産した。長複合材料電柱で、遠心法で大口径圧力管を生産して都市給水工事に使用し、技術経済効果は非常に顕著である。これまで、樹脂系複合材料の生産プロセスは20種類近くあり、新しい生産プロセスが続いている。

樹脂系複合材料の開発応用については、各国の発展経路が異なる。米国はまず軍需産業に応用され、第二次大戦後は徐々に民用に転じた。西欧諸国は直接民間用の開発から（波形板、防腐材、衛生衛生設備など）軍需産業を両立させている。世界的に言えば、原材料、成形技術、機械設備、製品の種類と性能検査などから比較的に完全な工業システムが形成されており、他の工業に比べて発展速度が速い。

現在、複合材料の樹脂マトリックスは熱硬化性樹脂を主としている。2000年の統計によると、全世界の樹脂系複合材料製品の種類は40000種類を超え、総生産量は600万トンに達し、そのうち高性能樹脂系複合材料の生産量は300万トンを超え、高性能熱可塑性複合材料の生産量は120万トン以上である。

樹脂系複合材料の応用分野は非常に広く、表1は米国、西欧、日本などいくつかの主要国の樹脂系複合材料の自動車、建築、造船などの工業における使用量の割合である。

我が国の樹脂基複合材料は1958年に始まり、その年に手糊技術で樹脂基複合材料漁船を開発し、ラミネートとロール技術で樹脂基複合材料スラブ、管とロケット筒などの開発に成功した。1961年に耐アブレーション端子として開発された。1962年に不飽和ポリエステル樹脂とハニカム成形機及び噴射成形機を導入し、航空機プロペラとファンブレードを開発した。1962年に巻回技術を研究し、酸素ボンベなどの圧力容器を製造した。1970年に手ペーストサンドイッチ構造板を用いて直径44メートルの大型樹脂系複合材料レーダカバーを製造した。1971年以前の我が国の樹脂系複合材料工業は主に軍需産業であったが、70年代以降は民生に転向し始めた。1987年から各地で池窯糸引き、短切フェルト、表面フェルト生産ライン及び各種ブランドのポリエステル樹脂（米、独、荷、英、意、日）とエポキシ樹脂（日、独）などの海外先進技術を大量に導入した。成形技術の面では、巻取管、缶生産ライン、引張押出技術生産ライン、SMC生産ライン、連続製板ユニット、樹脂伝達成形（RTM）成形機、噴射成形技術、樹脂射出成形技術及び釣り竿生産ラインなどを導入し、研究、設計、生産及び原材料を組み合わせた完全な工業システムを形成し、2000年末現在、我が国の樹脂基複合材料生産企業は3000社以上に達し、51社がISO 9000品質システムの認証を通過し、製品品種は3000種類以上、総生産量は73万トン/年に達し、世界第2位に位置している。製品は主に建築、防腐、軽工業、交通輸送、造船などの工業分野に使用されている。近年、炭素繊維シートの補強建築構造、引出し複合材料の窓、SMCまたはBMCモールド電圧計箱、RTM製品などが台頭している。

建築面では、樹脂基複合材料はすでに内外壁板、透明瓦、冷却塔、エアコンカバー、ファン、ガラス鋼水槽、衛生衛生設備、浄化槽などに広く応用されている。

石油化学工業では、主に配管やタンクに使用されている。そのうち、ガラス鋼パイプには定長管、遠心鋳造管及び連続パイプがある。圧力レベルによって中低圧配管と高圧配管に分けられる。我が国の「八五」、「九五」期間中に管缶生産ライン40本を導入し、現場に大型貯蔵タンクの最大直径12メートル、貯蔵タンクの最大容積1万立方メートルを巻き付けた。国内で開発・生産されたガラス鋼管缶生産設備の一部の技術指標は、海外の同種設備の技術水準を超えている。

交通輸送の面では、交通機関を軽量化し、燃費を節約し、使用寿命と安全係数を高めるために、現在、交通機関には複合材料が大量に使用されている。自動車には主に車体、ボンネット、バンパーなどの部品がある。列車には車のパネル、ドア、座席などがあります。ボートには主にエアクッション船、救命艇、偵察艇、漁船などがあり、現在、我が国が製造したガラス鋼漁船は最長33メートルに達する。屋根送風機、軸流送風機、ケーブル架橋、絶縁棒、集積回路基板などの機械や電気機器の分野では相当な規模を持っている。

航空宇宙及び軍事分野では、軽飛行機、尾翼、衛星アンテナ、ロケットノズル、防弾板、防弾衣、魚雷などが重大な突破を遂げ、我が国の国防事業に重大な貢献をした。

高性能熱硬化性樹脂基複合材料に用いられる基体は主にエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などである。

（1）エポキシ樹脂
エポキシ樹脂の特徴は優れた化学安定性、電気絶縁性、耐食性である。良好な接着性能と高い機械強度は、化学工業、軽工業、機械、電子、水利、交通、自動車、家電、宇宙などの各分野に広く応用されている。

1993年の世界のエポキシ樹脂生産能力は130万トンだったが、1996年には143万トン、1997年には148万トン、1999年には150万トンに増加し、2003年には160万トン前後に達する見込みだ。

わが国では1975年からエポキシ樹脂の研究が始まった。不完全な統計によると、現在、我が国のエポキシ樹脂生産企業は約170社あり、総生産能力は15万トン余り、設備利用率は50%前後である。

（2）フェノール樹脂
フェノール樹脂は耐熱性、耐摩耗性、機械的強度が高く、電気絶縁性に優れ、低発煙性と耐酸性に優れているなどの特徴があり、複合材料産業の各分野で広く応用されている。近年、電子業界、自動車業界、航空宇宙などのハイテク技術の分野で応用されている。

1997年の世界のフェノール樹脂の生産量は300万トンで、うち米国は164万トンだった。わが国の生産量は18万トン、輸入は4万トンである。フェノール樹脂の応用には、自動車ブレーキシート、フェノールコンデンサ封止材、深層ろ過材、航空宇宙などの業界が含まれる。

（3）ビニルエステル樹脂
ビニルエステル樹脂は1960年代に発展した新型の熱硬化性樹脂であり、その特徴は耐食性が良く、耐溶剤性が良く、機械的強度が高く、伸び率が大きく、金属、プラスチック、コンクリートなどの材料との接着性能が良く、耐疲労性能が良く、電気的性能が良く、耐熱老化、硬化収縮率が低く、常温硬化も加熱硬化も可能である。

南京金陵帝斯曼樹脂有限公司はオランダの先進技術を導入して生産したAtlacシリーズの強耐食性ビニルエステル樹脂は、貯蔵タンク、容器、配管などに広く使用されており、防水と熱プレス成形にも使用できる品種もある。南京フェロン複合材料有限公司、上海新華樹脂工場、南通明佳重合体有限公司などのメーカーもビニルエステル樹脂を生産している。

2.熱可塑性樹脂系複合材料

熱可塑性樹脂系複合材料は1980年代に発展したもので、リサイクルが可能であるため、複合材料全量に占める割合は年々増加傾向にある。主な品種は長繊維強化ペレット（LFP）、連続繊維強化プリプレグ（MITT）及び繊維熱可塑性シートツリー（GMT）である。使用要求に応じて、樹脂基体は主にPP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PEI、PES、PEEK、PI、PAIなどの熱可塑性エンジニアリングプラスチックがあり、繊維種類はガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維とホウ素繊維などあらゆる可能な繊維品種を含む。

欧米先進国の熱可塑性樹脂系複合材料は樹脂系複合材料全体の3 O%以上を占めている。2000年の酉欧熱硬化性樹脂基複合材料の生産量は106万トン、熱可塑性複合材料は54万トンで、樹脂基複合材料の総量の34%を占めている。

高性能熱可塑性樹脂基複合材料は射出部品が多く、基体はPP、PAを主とする。製品はパイプ（エルボ、三方、フランジ）、バルブ、インペラ、軸受、電気製品及び自動車部品、押出成形のパイプ、GMT（熱可塑性シート状プラスチック）成形品、例えばジープシートホルダー、自動車ペダル、シートなどがある。自動車におけるガラス繊維強化ポリプロピレンの使用には、通風・暖房システム、エアフィルタハウジング、トランスミッションカバー、シートフレーム、フェンダーガスケット、伝動ベルト保護カバーなどが含まれる。

タルク粉充填PPは高剛性、高強度、優れた耐熱老化性能及び耐寒性を有する。タルク粉末補強PPは、通風システムの部品として使用するなど、車内装飾に重要な応用がある。計器盤や自動ブレーキ制御棒など。自動車のスルホン系部品は、通常のPPやタルク粉などの無機充填材を添加した複合ポリプロピレンに多く用いられている。米HPM社はPPを20%タルク粉で充填して168 m 2、重さ5 kgのハニカム構造の吸音天井と乗用車の窓付き昇降器のロープ巻胴カバーを作製した。

マイカ複合材料は高剛性、高熱変形温度、低収縮率、低撓み事、寸法安定及び金属と比較した低密度、低価格などの特徴を持ち、マイカ/p複合材料を利用して自動車計器盤、ヘッドライト保護輪、シャッターカバー、ドアガードレール、賑やかなハウジング、モーターファン、ブラインドなどの部品を作ることができ、この材料の減衰性を利用して音響部品を作ることができ、その遮蔽性を利用してバッテリーボックスなどを作ることができる。

現在、トヨタ自動車工業は三菱化学と共同でPP/EPR/タルク粉ナノ複合材料を開発して自動車の前・後バンパーを製造しており、1991年に商用化されており、これによりトヨタ自動車上のバンパーの厚さを4 mmから3 mmに減らすことができ、品質を約1/3軽くすることができる。トヨタは1994年に自動車内装用TSOP－2、TSOP－3などのナノ複合材料を開発した。＜br />
PA、PPなどの熱可塑性複合材料の一般的な基体については、その耐熱性の差から普及していない。近年、従来の熱可塑性樹脂の改質を通じて、一方でPPO、PEEK、PEI、PPS、PSFなどの高性能熱可塑性樹脂を開発し、熱可塑性複合材料の応用をますます多くしている。

我が国の熱可塑性樹脂基複合材料は20世紀80年代末期に始まり、ここ10年来急速な発展を遂げ（表3参照）、2000年の生産量は12万トンに達し、樹脂基夏合材料の総生産量の約17%を占め、先進国とまだ差がある。使用する基体材料は依然としてPP、PAを主とし、補強材料はガラス繊維を主とし、少量は炭素繊維であり、熱可塑性複合材料の面で重大な突破はできなかった。我が国のナノテクノロジーはポリマーの改質と応用に良好なチャンスを提供して、例えばナノ改質PAなど、しかし現在依然として複合体系が存在して単一で、工業化の程度は高くなくて、大多数は実験室の研究段階だけあって、完全に普及して実用的ではなくて、ポリマーのナノ複合材料の備える特性と潜在能力、今後長い間ナノテクノロジーに頼って先駆的な川を切り開いて高めなければならない。

樹脂系複合材料に用いられる補強材には、主にガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維などがある。

（1）ガラス繊維
現在、高性能複合材料に用いられているガラス繊維には、主に高強度ガラス繊維、石英ガラス繊維、高シリカガラス繊維などがある。

1950年代末、米国はまず高強度ガラス繊維（S−994）の研究開発に成功し、これまで世界で高強度ガラス繊維を生産できるのは米国、フランス、日本、ロシア、カナダ、我が国の6カ国だけだった。高強度ガラス繊維の性能が比較的に優れているため、年間成長率10%以上の速度で発展している。1991年の西側諸国の総生産量は480トンに達し、現在は5000トン以上と推定されている。高強度ガラス繊維複合材料は軍用だけでなく、近年、防弾ヘルメット、防弾服、ヘリコプター翼、早期警報機レーダーカバー、各種高圧圧力容器、民間航空機直板、スポーツ用品、各種耐高温製品及び最近報告された性能に優れたタイヤコードなど、民間製品にも広く応用されている。

石英ガラス繊維及び高シリカガラス繊維は高温に耐えるガラス繊維に属し、比較的に理想的な耐熱防火材料であり、その強化フェノール樹脂を用いて各種構造の高温に耐え、アブレーションに耐えられる複合材料部品を製造でき、ロケット、ミサイルの防熱材料に大量に応用されている。

これまで、我が国で実用化されている高性能樹脂基複合材料用の炭素繊維、アラミド繊維、高強度ガラス繊維の3大補強繊維のうち、高強度ガラス繊維だけが国際先進レベルに達し、かつ自主知的財産権を持ち、小規模な産業を形成しており、現段階では年間500トンに達することができる。

（2）炭素繊維
炭素繊維は強度が高く、弾性率が高く、高温に耐え、導電性などの一連の性能を持ち、まず航空宇宙分野で広く応用され、近年では運動器具やスポーツ用品にも広く採用されている。炭素繊維複合材料は近年、新たな応用分野の開拓も拡大し、土木建築、交通輸送、自動車、エネルギーなどの分野で工業級炭素繊維を大規模に採用すると予測されている。1997～2000年の間、宇宙用炭素繊維の年間成長率は31%と推定されているが、工業用炭素繊維の年間成長率は130%に達すると推定されている。

我が国の炭素繊維の全体レベルはまだ比較的に低く、国外の70年代中、末期レベルに相当し、国外との差は20年前後に達した。国産炭素繊維の主な問題は、性能が不安定で離散係数が大きく、高性能炭素繊維がなく、品種が単一で、規格が不完全で、連続長さが足りない、表面処理がされていない、価格が高いなどである。

（3）アラミド繊維
1972年に米デュポン社が研究開発に成功した全パラ芳香族ポリアミドのKevlarという商品は、高性能夏合材料に正式に使用されている。1972年の生産量はわずか45トンだったが、1977年には4200トンに増加し、1982年には21000トンに上昇し、年間成長速度は20%だった。1980年代以来、オランダ、日本、旧ソ連も相次いでアラミド繊維の開発を行ってきた。オランダのAKZO社の子会社エンカ社の「Twaron」シリーズ繊維の1986年の年間生産能力は1000～2000トンで、2000年には15000トンの能力に達する見込みだ。日本の帝人社やロシアのアラミド繊維が市場に投入され、年間成長率も20%前後に達している。

アラミド繊維は強度、比弾性率が高いため、航空宇宙分野の高性能複合材料部品（ロケットエンジンケース、航空機エンジンキャビン、フェアリング、方向舵など）、艦船（航空母艦、原子力潜水艦、ヨット、救命ボートなど）、自動車（タイヤコード、高圧ホース、摩擦材料、高圧ガスボンベなど）及び耐熱輸送ベルト、スポーツ器材などに広く応用されている。

（4）超高分子量ポリエチレン繊維
現在、市販品は主に米Ailled社のSpectra 900と1000、DSM（荷）－Toyoba（日）が共同生産したDyneemaSK 60、Mitsui（日）社のTekmiloniなどがある。超高分子量ポリエチレン繊維の比強度は各種繊維の中で第1位であり、特に化学試薬の浸食と老化防止性能に優れている。また、高周波ソナー透過性と耐海水腐食性に優れており、多くの国で艦艇の高周波ソナー導流カバーを製造するために使用されており、艦艇の探雷、掃海能力を大幅に向上させている。海上油田で使用される高性能軽量複合体
材料面ではいずれも極めて大きな優位性を示し、軍事応用分野で重要な役割を果たすほか、自動車製造、船舶製造、医療機器、スポーツ器材などの分野でも広い応用の見通しがある。この繊維は登場すると世界先進国の大きな興味と重視を引き起こし、米国の1989年の成長率は26%で、他の高性能繊維よりはるかに高かった。アラミド繊維、高分子量ポリエチレン繊維は国内ではこれまで商品化されていない。1972年に我が国でアラミド繊維の研究を開始したにもかかわらず、1981年2月と1985年末にそれぞれアラミド工、アラミドIIに対して技術鑑定を行い、その高純度ブロックは南通合成樹脂工場で試作し、上海合成繊維研究所で繊維を製造した。単糸の直径均一性、集束性の面でいくつかの問題が存在したため、1990年代初めまでの生産量もわずか数トンで、国外との差が大きかった。

21世紀の高性能樹脂基複合材料技術は複合材料に自己修飾複素性、自己分解性、自己診断性、自制機能などを付与したインテリジェント化材料である。高剛性、高強度を開発するために。高湿熱環境下で使用される複合材料を重点として、材料、成形加工、設計、検査を一体化した材料システムを構築する。組織システム上ではアライアンス（米国自動車連合など）とグループ化されます。これにより、複合材料工業のさらなる発展を推進するために、各方面の資源（技術資源、物質資源）をより十分に利用し、各方面の優位性と緊密に結びつけることができる。＜br />
（二）金属系複合材料
金属基複合材料は主に航空宇宙産業上の高強度、低密度の要求に従って現れたので、広く研究され、応用されている金属基複合材料はAl、Mgなどの軽金属を基体とする複合材料である。1960年代、鶴とホウ素繊維で連続的に強化された金属基複合材料が雨後のタケノコのように発展した。連続繊維強化複合材料の価格が高く、生産製造プロセスが複雑であるため、70年代にはこの材料の研究が崩壊した。タービンエンジンにおける高温部材の高温耐性材料への継続的な需要に伴い、金属系複合材料、特にチタン系材料の研究の回復が触発された。

非連続強化複合材料は80年代に急速に発展し、炭化ケイ素またはアルミナ粒子、短繊維強化アルミニウム基複合材料に重点を置いている。このような材料は基体と補強体の荷重を受ける割合にかかわらず、分散強化と連続繊維強化の2つの極端な状況の間に介在しており、それは優れた横方向性能、低消費と優れた加工性を持っており、未強化合金と比べても性能が大幅に向上している。これらのすべての要因により、これらの材料は多くの応用分野で最も商業的に魅力的な材料となっている。

航空及び航空宇宙における金属系複合材料の使用には、主に軽いが有毒なベリリウムの代替が含まれる。例えば、米国のトライデントミサイルではベリリウムをSiCp/Al複合材料で置換し、炭化ケイ素粒子/アルミニウム系複合材料はまた、航空機の電子機器で炭素/エポキシを置換している。非航空と宇宙への応用では、短繊維強化金属基複合材料の自動車分野への応用が一般的に注目されている。例えば、上部がアルミナ短繊維またはアルミナとシリカ短繊維との混在強化アルミニウム系複合材料からなる局所強化内燃機関ピストン。従来の内燃機関ピストンはAl−Si鋳造合金で製造されており、最初のリング溝に高ニッケル鋳鉄リングを埋め込むことを採用するものもある。