GFRP(ガラス繊維強化プラスチック)とは

じーえふあーるぴー

ガラス繊維を樹脂で固めた複合材料。CFRPより剛性は低いが安価で、電気絶縁性と電波の透過性があり、船体や浴槽、プリント基板などに使われる。

「GFRP(ガラス繊維強化プラスチック)」は、1分野の1問の練習問題に出てきます(複合材料など)。

この用語の分野: 複合材料

ガラス繊維と樹脂の組み合わせ

GFRPの繊維には、主にEガラス(電気絶縁用に開発されたアルミノホウケイ酸ガラス)の繊維が使われ、ヤング率は約72 GPa、密度は約2.55 g/cm³、直径は約10〜20 µm程度です。より強く剛いSガラスの繊維もあり、航空機の部品などに使われます。樹脂には、安価な不飽和ポリエステル、耐食性の高いビニルエステル、強度と接着性に優れたエポキシなどの熱硬化性樹脂のほか、ポリアミドなどの熱可塑性樹脂も使われます。繊維の表面は、樹脂との接着を高めるためにシランカップリング剤で処理されています。

比剛性は鋼並みか、それ以下

GFRPは強いものの、剛性はそれほど高くありません。繊維の体積含有率60%の一方向材で、複合則から繊維方向のヤング率を見積もると約45 GPa、密度は約2.0 g/cm³ で、比剛性は鋼よりやや低くなります。繊維の向きがばらばらのマットでは、ヤング率はさらに数分の1に下がります。そのため、GFRPの部品は強度より先にたわみで寸法が決まることが多く、断面を大きくしたり、リブで補強したりします。強さを生かしつつ、剛性の不足をどう補うかが設計の要点です。

形態と成形法、用途

ガラス繊維は、束ねたロービング、短く切ってばらまいたチョップドストランドマット、織物などの形で使われます。成形法には、型に繊維を置いて樹脂を塗り重ねるハンドレイアップ、繊維と樹脂のシート状の材料をプレスで成形するSMC、管やタンクに巻きつけるフィラメントワインディングなどがあります。船体、浴槽、浄化槽、配管、風車の翼、自動車の外板、プリント基板(ガラス布とエポキシのFR-4)など用途は幅広く、電波を通すのでレーダーのドーム(レドーム)にも使われます。

長期の使用で注意すること

ガラス繊維は、水分のある環境で荷重をかけ続けると、表面の微小なき裂が少しずつ進み、短時間の強度より低い応力で破断することがあります(静疲労)。Eガラスは酸に弱く、酸性の環境では繊維が割れる応力腐食割れを起こすことがあるので、耐酸性のECRガラスなどが使われます。樹脂の吸水や紫外線による劣化にも注意が必要です。熱硬化性樹脂を使ったGFRPはリサイクルが難しく、廃棄される風車の翼などは、砕いてセメントの原料や燃料として使う方法がとられています。

GFRP(ガラス繊維強化プラスチック)の練習問題に挑戦

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)とガラス繊維強化プラスチック(GFRP)の比較として正しいものはどれか。

AGFRPは電気を通すので、CFRPと違ってアルミニウム合金と接触させるとガルバニック腐食を起こしやすい
BCFRPは電波を通しやすく絶縁性も高いので、GFRPに代えてレーダーを覆うカバーや電気絶縁部品に向く
CCFRPは比剛性に優れるが、電気を通すのでアルミニウム合金と接するとガルバニック腐食を起こしやすい

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正解：C. CFRPは比剛性に優れるが、電気を通すのでアルミニウム合金と接するとガルバニック腐食を起こしやすい

炭素繊維は密度が約1.8 g/cm³ とガラス繊維(約2.5 g/cm³)より小さく、ヤング率は約230 GPa 以上とガラス繊維(約70 GPa)の3倍以上あるので、CFRP は比剛性と比強度に優れ、航空機やスポーツ用品に使われます。ただし高価で、炭素繊維は電気を通し電極電位が貴なため、アルミニウム合金と接触させるとアルミニウムがガルバニック腐食を起こしやすく、間にガラス繊維の層を挟むなどの対策をとります。電気を通すのは CFRP で、GFRP ではありません。電波を通しやすく絶縁性が高いのは GFRP の特徴で、レドームや電気絶縁部品、安価な船体や浴槽などに使われます。

よくある質問

FRPとGFRPは同じですか?

FRPは繊維強化プラスチック全般を指し、繊維がガラスならGFRP、炭素ならCFRPです。日本で単にFRPというと、船や浴槽に使われるGFRPを指すことが多いです。

GFRPの繊維含有率はどのくらいですか?

成形法で大きく違い、目安としてハンドレイアップのマットでは体積で2割前後、引抜成形やフィラメントワインディングでは5〜6割程度です。含有率が高いほど強く剛くなります。

GFRPは電気を通しますか?

通しません。ガラス繊維も樹脂も絶縁体なので、電気絶縁が必要な部品や、電波を通す必要があるレドームなどに使えます。導電性の炭素繊維を使うCFRPとの大きな違いです。

解説の中の「GFRP(ガラス繊維強化プラスチック)」

電気を通すのは CFRP で、GFRP ではありません。
炭素繊維強化プラスチック(CFRP)とガラス繊維強化プラスチック(GFRP)の比較として正しいものはどれか。

「GFRP(ガラス繊維強化プラスチック)」が出てくる問題(1問)

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)とガラス繊維強化プラスチック(GFRP)の比較として正しいものはどれか。

材料科学の計算ツール

複合則計算ツール繊維と母材のヤング率と体積分率から、複合材料のヤング率と比剛性を計算