【研究のポイント】
・層間強化型CFRPの試験片が小さくなると、厚さ方向の導電率の測定結果のばらつきが大きくなる
・導電率のばらつきが「確率モデル」で再現できる
・航空機構造の雷撃対策や健全性監視などに役立つ

【研究の概要】
「どこまで小さいと“正しい”測定ができなくなる？」——この研究は、CFRP（炭素繊維強化プラスチック）の積層材で、ごく小さな試験片を使うと、電気伝導の測定値がばらついてしまう可能性があることを示しました。原因は、層と層の間を通る繊維の「ランダムな配置」。このばらつきを確率モデルでうまく予測できれば、ほんの少しの試験で全体の電気特性を推定でき、航空機のCFRP部材の設計や安全性向上につながります。

小さなCFRP片が、航空安全の隠れた真実を語る？
CFRP（炭素繊維強化プラスチック）は、軽くて強く、疲労にも強いことから航空機には欠かせない素材です。でも、もうひとつ見逃されがちな性質があります。それが「電気を通すこと」この導電性は、構造の健全性を見守るセンシング技術や、落雷した時の損傷の解析にとって必要な性質です。
ところが――CFRPの電気的性能は「設計」だけでなく、「どれだけ大きい試験片で測ったか」にも左右されるとしたら？
愛媛大学と東京都立大学の研究チームは、特殊な層間構造を持つCFRPの大きな板を、小さな試験片にどんどん切り分けていきました。中にはたった11ミリ四方の小さなものも。すると、ある不思議な現象に気づきました。試験片の平均的な導電性は変わらないのに、試験片が小さくなるほど「ばらつき」が急増したのです。
原因は「ランダムさ」でした。CFRPの層と層の間には、たまに電気を通す繊維（CPIs）がランダムに通っています。これらは製造過程で自然にできるもので、決まった場所に整然と並んでいるわけではありません。小さな試験片では、たった1本のCPIを切ってしまうだけで、導電性が大きく変わってしまうのです。
そこで研究チームは、試験片の大きさによって導電性の分布がどう変わるかを確率モデルで表現しました。すると、面積が小さいときは「対数正規分布」、大きくなると「正規分布」に近づくという傾向が見えてきたのです。このモデルを使えば、少数の小さな試験片を測定するだけで、もっと大きな部材全体の電気的性質を予測できるようになります。
この研究が意味するところは大きいです。
たとえば、航空機の翼が雷にどう耐えるのかを予測したり、機体に埋め込まれたセンサーの配置を考えたりする際に、正確な導電性の情報は欠かせません。そして今、CFRPの試験片を「どう切るか」が、その性質を大きく左右することがわかったのです。
もし誰かが、航空機に使われるCFRPの小さな試験片をあなたに手渡したとしたら――
その導電性は、きっと“サイズ”に秘密があるのかもしれません。

参考 URL1: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.108943

論文情報

Title：Effect of specimen surface area on through-thickness electrical conductivity in unidirectional CFRP laminates with interlayers
Authors：Keiji Ogi, Ryotaro Ozaki, Koichi Mizukami
Journal：Composites Part A, 194, 108943
DOI：10.1016/j.compositesa.2025.108943, 2025（July）

助成金等

• JSPS科研費　21K03751

図表等

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  図1　厚さ方向導電率の2次元マッピング

  導電率は積層板内で2次元的な空間分布を持つ。その結果、導電率のばらつきにサイズ依存性が生じる。このような空間分布は層間にある導電パス（CPIs）に起因している。

  credit : 黄木　景二（愛媛大学）
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  図2　導電率の平均とばらつきのサンプルサイズ依存性

  導電率の平均値はサンプルサイズに依存しないが、ばらつき（変動係数）はサイズが大きいほど小さくなる。

  credit : 黄木　景二（愛媛大学）
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