繊維強化プラスチック（FRP）は、連続強化繊維に樹脂を含浸させて硬化したものである。高強度と高弾性率の炭素繊維またはガラス繊維などを使用して成形したCFRPやGFRPは、普通の材料に比べて極めて高い比強度と比弾性率を持ち、航空・宇宙機器をはじめ自動車、船舶、スポーツ用品などさまざまな分野で多く使われ用途は今後も拡大していくと考えられる。

FRPの設計・作製にあたって繊維メーカーは、炭素繊維やガラス繊維を織物または一方向材シート（繊維態構造）に作成し、機械メーカーなどに提供している。機械メーカーはそれらを用いてFRPを成形し、切断や穴あけなどの工作をして機械部品に完成させている。繊維メーカーは、最終的なFRP製品として要求される力学特性と機能を考慮し、繊維工学の諸技術を利用して繊維態構造を設計することで、製品のFRPの力学特性などのさらなる向上を期待できると考えている。ここでは筆者の研究室で研究・試行した事例をいくつか紹介する。

三次元繊維態構造体を利用した高曲率コーナーを有する連続繊維強化FRPの開発^（1）

従来の作製法で成形したFRPは、平面状構造物の面内では高比強度化が達成できるが、高曲率の曲面では繊維材料によるシワが発生し（図1）高強度連続繊維の充填ができず、強化繊維の優れた力学特性を十分に生かすことができなかった。現場では平面FRP板を樹脂で接着して箱型ボディを成形する方法があるが、コーナー・エッジ部分での強化繊維が不連続となり樹脂のみの強度となるため、複合材料本来の高強度を発揮できない。

平面繊維態構造物（織物）を機械部品形状に合わせるのではなく部品形状にフィットした3D繊維態構造物を作ることで、シワがなくコーナー部にも連続繊維を配置したFRPを作製する方法を考案した（図2）。そして、この繊維工学的手法を応用したFRPをVaRTM成形法で成形し、高曲率コーナーをもつFRPを作製した（図3）。

本方法で作製したFRPについて曲げ試験を行った結果、樹脂で接着した箱型ボディに比べて曲げ強度は4倍向上した。さらにコーナーと垂直方向に強化繊維を編み込むことで、曲げ強度はさらに向上し9倍に達した。また、このことから目的の形状に合わせて繊維態構造を自動作成できる機構・機械を製作し、さまざまな大きさと厚みを持つ3D繊維態構造の試作システムを構築することができた。

図1　FRPの賦形性（高曲率コーナー例）