複合材料の理解：種類、用途、メリット

複合材料は、異なる化学的・物理的特性を持つ2つの異なる材料を組み合わせたものです。この組み合わせにより、電気抵抗、軽量化、高強度、剛性向上などの特定のタスクを実行するように設計された材料が作られます。

ユーザーが従来材料と比較して複合材料を好む理由の一つは、基材の特性を改善する能力があるためです。もう一つの理由は、さまざまな用途での有用性です。

簡単な歴史

人間による複合材料の使用は千年以上前まで遡れます。最初の複合材料の創造は紀元前3400年、イラクで行われました。この古代社会は、木材ストリップをさまざまな角度で互いに接合して合板を作りました。その後紀元前2181年頃、エジプト人は亜麻やプラスター浸漬パピルスからデスマスクを製造し始めました。その後、両社会は藁を使用して材料を補強し、ボート、陶器、レンガの強化に役立てました。

紀元1200年、モンゴル人は当時非常に効果的だった複合弓の設計を開始しました。骨、木、絹、角、牛腱、松脂で接着された竹から製造されました。

産業革命後、合成樹脂が重合によって固形化しました。1900年代、化学に関するこの知識はビニール、フェノール、ポリエステルなどのさまざまなプラスチックの創造につながりました。合成物の開発が始まり、化学者のレオ・ベークランドがベークライトを創造しました。耐熱性と非導電性により、さまざまな業界で有用です。

1930年代は「複合材料」と名付けられた化合物材料の開発にとって非常に素晴らしい時期でした。オーウェンス・コーニングがガラス繊維を開発し、繊維強化ポリマー業界の創造に関与しました。これらの設計樹脂は今日でも有用で、不飽和ポリエステル樹脂の特許が1936年に取得されました。2年後、より高性能な樹脂システムが利用可能になりました。

1961年、炭素繊維（初）が特許取得され、商業的に利用可能になりました。1990年代半ばには、以前使用されていた材料と比較して低コストだったため、複合材料が建設と製造プロセスで非常に一般的になりました。

2000年代半ばのボーイング787ドリームライナーの複合材料は、高強度用途での利用を実証しました。

複合材料とは

複合材料は、それぞれ異なる化学的・物理的特性を持つ2つ以上の構成要素を組み合わせて作られる化合物材料です。このタイプの組み合わせは通常、特定の機能を実行するように設計された材料を生成します。例えば、より軽量、より強力、または電気抵抗性が高くなる可能性があります。結果として、複合材料は強度、剛性、耐久性も向上させることができます。

基材の特性を向上させ、工業用途、自動車、航空宇宙、海洋、エネルギーなどほとんどの産業用途で有用であるため、従来材料より好まれます。

各構成材料の物理的または化学的特性が異なっていても、それらは個々の要素とは異なる独自の特性を持つ材料を生成するために組み合わされます。結合構造内では、これらの個々の要素は分離しており、これが複合材料を固溶体と混合物から区別しています。

設計された複合材料の例には以下が含まれます：

• 合板のような複合木材
• 金属基複合材料
• 鉄筋コンクリートと石造り
• セラミック基複合材料
• ガラス繊維や繊維強化ポリマーのような強化プラスチック

新しい材料がこのカテゴリに含まれるさまざまな理由があります。これらの材料は、一般的な材料より強力、安価、軽量、または耐久性が高いです。

研究者たちは、計算、センシング、通信、作動などの高度な機能を複合材料に組み込み始めており、一般的にロボティック材料として知られています。

複合材料は、特に建物と橋梁での幅広い用途で知られています。また、一般的にプールパネル、貯蔵タンク、カウンタートップ、シャワースタンド、レーシングカーボディ、模造花崗岩、人造大理石シンク、ボートハルなどの構造物に使用されます。また、自動車用途でも人気が高まっています。他の高度な例は、航空機と宇宙船のような要求の厳しい環境での使用に最適です。

複合材料は何でできているか？

複合材料は、アラミド、ガラス、炭素などの天然・人工繊維、およびその他の補強材料で補強された特定のポリマー基材から製造されます。

基材は、繊維を外部または環境的損傷から保護し、これらの繊維間の荷重伝達を助けます。さらに、繊維は基材の補強のための剛性と引張強度を提供し、破損とクラックへの耐性も助けます。

ほとんどの工業製品では、基材はポリエステル樹脂で補強材はガラス繊維です。しかし、複合材料には多くの補強材料と樹脂のブレンドが利用されています。ただし、各材料が完成品の特別な特性に貢献する多くの補強材と樹脂の組み合わせが複合材料で利用されています。繊維は強力ですが脆く、剛性と引張強度を提供し、より柔軟な樹脂は形状を与え繊維を保護します。

合成と天然複合材料

複合材料は天然または合成の形で存在できます。例えば、木材は木材繊維とリグニンで構成される天然複合材料です。繊維は木材の強度に寄与し、リグニンはそれを結合し安定性を提供します。

一方、合板は合成と天然材料の両方で構成される複合材料です。合板の場合、薄い単板層がフラットシートを形成し、天然木材より強力です。

プラスチックは複合材料か？

一部のプラスチックは複合材料ですが、一部は純粋なプラスチックです。例えば、アラミド繊維強化プラスチックは製造で人気があり、装甲板とヘルメットに使用されるケブラープラスチックの特性を模倣しています。結果として、ポリエステルやエポキシ樹脂などの他のプラスチックは少量の二次材料で強化されます。そのため、基本プラスチックの元の特性を失うことなく機械的強度と耐久性を向上させます。

工場での複合材料の製造方法

人工複合材料と工業複合材料で混乱するかもしれませんが、これらは本質的に同じものです。自然に存在しないすべての複合材料は、手動でレイアップするか機械で作るかに関わらず、人工と呼ばれます。

工場では、レジン移動成形（RTM）、スプレーアップ、プルトロージョン、オートクレーブ処理、フィラメント溶接など、さまざまな方法があります。しかし、製造会社は複合材料自体を製造しません。サプライヤーから適切な複合材料を選択し、設計仕様に従って完成複合部品や製品に機械加工します。

複合材料の主要特性

複合材料は、最も要求の厳しい用途で有用ないくつかの独自の特性を備えています。これらの複合材料特性は性能に貢献します。

製造プロジェクトにとって非常に有益なさまざまな特性について議論しましょう。

耐久性

材料の複合は、過酷な気象条件や腐食性環境で使用できます。また、機械的衝撃や振動のような繰り返し応力下でも良好に機能します。これらすべてが、宇宙船、自動車、航空宇宙用途などにおいて完璧な選択肢となります。

衝撃耐性

複合材料は、損傷を受けることなく衝撃力を許容し分散するように設計されています。これは衝撃にさらされる用途にとって重要な特性です。衝突や衝撃からの損傷耐性により、クラッシュ構造で不可欠です。

強度

複合材料は構成材料より強力であることが知られています。強度と頑健さを向上させ、高荷重支持能力を必要とする用途に最適な選択肢となります。

柔軟性

複合材料は曲げと変形に十分な柔軟性があります。破損せずにさまざまな方向に曲げられるように設計できます。柔軟な性質は義肢の製造での広範な使用に貢献します。また、複合材料は動的荷重や振動にさらされる用途でエンジニアと設計者により良い選択肢を提供します。

耐薬品性

複合材料は、過酷な化学物質や環境からの攻撃を生き延びられます。したがって、耐薬品性コーティングと化学処理装置に最適です。

軽量

複合材料は、軽量コンポーネントと構造の製造を可能にするパワーパック材料です。高強度対重量比は、重量削減が優先される業界で重要な特性として機能します。

熱安定性

複合材料は高熱条件下での変形に耐えられます。このような条件下で構造的完全性を維持する能力は、極端な温度にさらされる用途にとって重要な考慮事項です。

電気伝導性

複合材料は優れた電気伝導性を持ちます。これらの材料は、絶縁や伝導性などの優れた電気的特性を達成するように設計されています。

音響断熱性

複合材料のもう一つの特徴は、騒音伝播を減らまたは防止する能力です。この防音特性により、防音用途に最適です。

複合材料のメリット

複合材料は私たちが毎日使用する人気の材料になりました。私たちが運転する車から使用するゴルフ用品、環境で使用されるパイプまで、これらの材料は大きな機能を果たしています。ロケット船のような洗練されたデバイスでも機能するために複合材料を必要とします。これらの材料が私たちの環境と日常生活で果たす重要性は過大評価できません。

従来材料と比較すると、複合材料ははるかに多くのメリットを提供します。これは彼らの独自の特性に起因します。したがって、エンジニア、設計者、建築家の間でより人気のある選択肢となっています。熱安定性や極限強度が優先される要求の厳しい環境では、複合材料が通常第一選択肢となります。

コスト削減

複合材料は木材や金属のような従来材料より経済的です。安価であるだけでなく、より大きな機能を提供します。また、廃棄物が少ないため環境に優しいです。

生産時間と労力の削減

生産で複合材料を使用すると、さまざまな従来材料の組み立てに使用される時間と労力が削減されます。

設計の柔軟性

複合材料のもう一つのメリットは、エンジニアがそれらを任意の望ましい形状とフォームに成形できることです。したがって、これらの材料から複雑なコンポーネントを作成できます。

複合材料の種類

材料基材のタイプと補強媒体に基づいて、いくつかの複合材料タイプが利用可能です。それらは異なる物理的・機械的特性を提供し、幅広い要件に適しています。

以下は一般的なタイプです：

ナノ複合材料

このタイプの複合材料は天然または人工の形で存在します。一般的に、補強材はグラフェンやカーボンナノチューブのようなナノ材料として存在し、ポリマー混合物に添加されます。また、鋼にシリコンナノ粒子を添加して微細で完璧な結晶成長を確保することも可能です。

一部の用途では、タルクや炭酸カルシウムがより強力で剛性の高いポリマー複合材料を確保するのに効果的です。

典型的なナノ複合材料は、ナノ材料添加剤を使用して、異なるポリマー基材に剛性、強度、熱的または電気伝導性などのその他の特性を追加します。天然例には貝殻と骨が含まれます。さらに、一部の状況ではナノ材料が巨大な健康リスクを表すため、これらの材料の製造は問題となる可能性があります。

金属基複合材料（MMC）

金属基複合材料は、マグネシウムやアルミニウムのような金属基材と、ひげまたは粒子形態の高強度繊維補強材を利用します。

一般的に、補強材は炭化ケイ素や炭素繊維粒子で、基本金属コンポーネントの限界を超える特殊な特性を生成します。これには耐温性の向上、強度の向上、より良い耐摩耗性の開始前の弱化、熱膨張係数の低減が含まれます。

さらに、金属基複合材料は自動車と航空宇宙業界で有用で、低重量と高強度を提供します。また、スポーツ用品、医療機器、電子機器でも有用です。これらの複合材料の処理は、ほとんどの複合材料タイプと比較してより困難です。これは高温と補強材の均一分布の問題によるものです。

ポリマー基複合材料（PMC）

これらは複合材料の最も理解しやすく普及している形態です。この用語には、ガラス繊維と炭素繊維布の手配積み、および基材を形成する注入、手動、または予備含浸ポリエステルとエポキシ樹脂が含まれます。

さらに、PMC複合材料は、高強度と剛性（部品重量対比）、高耐薬品性、耐熱性、耐摩耗性、機械的耐性など、さまざまなメリットを提供します。さらに、ポリマー基複合材料は非常に熟練した労働を必要とし、コストが高くなりますが、通常高強度結果を必要とする用途では過度ではありません。

また、PMCは海洋、自動車、航空宇宙、スポーツ用品で非常に有用で、剛性、高強度、軽量のメリットを享受しています。PMCの製造は、フィラメントワインディングと手配積みのような組み立て方法を扱い、遅いプロセスになる可能性があります。最適な材料特性を達成するために、硬化プロセス全体を正確に制御する必要があります。

ガラス繊維強化ポリマー（GFRP）

これらは、ポリエステルとエポキシ接着ガラス繊維材料に特化したポリマー基複合材料のグループを形成します。これらのガラス繊維はチョップドストランド内に存在し、これらの繊維の混合配向を通じて構造に異方性強度を提供します。

また、補強材は布地を含む可能性があり、プロセスをより秩序立てますが、すべての繊維が平面に配置されるためバルクコンポーネントには不向きです。織り込みロービングで、レイアップの品質を向上させ、より高い強度を達成できます。

ハイブリッド複合材料

これらの複合材料は、最終材料に組み込まれた少なくとも2つの異なる補強繊維として存在します。組み合わせは、レイアップでの炭素繊維とガラスの組み合わせで、より良い耐性を確保することができます。ラケット製造では、チタンストランドまたはメッシュを利用するのが一般的です。これにより曲げと引張性能の向上に役立ちます。

材料は、互換性問題が材料の挙動に影響を与える可能性があるため挑戦的です。例えば、特定の繊維が他方と比較してより良い結合を形成する可能性があります。ハイブリッド基材の実現可能性を確認するために相当なテストが必要です。ハイブリッド複合材料はPMCと類似の用途を共有しますが、より高コストのため使用は制限されます。

セラミック基複合材料（CMC）

炭化ケイ素、アルミニウム、炭化ホウ素、炭素のような材料の複合がセラミック基材を作ります。その後、この基材は強力な繊維で補強されてCMCを形成します。これらのセラミック基材は極限の耐食性と耐温性、優れた耐摩耗特性を提供します。しかし、セラミックは補強されていない場合通常脆いです。炭化ケイ素、炭素、アルミナフィルターを添加すると、材料をより実用的にし、脆さを打ち消せます。

CMCはガスタービンブレード、熱交換器、航空宇宙/ロケットコンポーネントの製造に有用です。これらの複合材料は非常に高価でかなり脆いため、使用は制限されます。しかし、この分野は大きな研究分野で特性は改善し続けています。

天然繊維複合材料（NFC）

複合材料製造での天然繊維使用はトレンドになっています。これにより、これらの材料が使用中に環境に与える影響を軽減します。木材、ジュート、綿、亜麻などの一部の天然繊維はさまざまな方法で重要です。

樹脂で接着された天然繊維は、自動車の内装パネル製造に有用です。これらの繊維は特定の形状を取るために圧縮成形を経て、最終表面仕上げのために革やプラスチックで張り上げられます。

より高い強度を確保し木材効果を作るために、木材繊維をポリマーに添加できます。また、スケートボードデッキはポリエステル樹脂基材での天然繊維補強を広範に利用しています。

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）

これらはポリマー基複合材料のサブセットを形成します。ポリエステルとエポキシ接着炭素繊維に特化しています。手配積みには炭素繊維を織り込みロービングとして使用し、異なる応力分布と荷重タイプのための織りパターンを使用します。

ここでは、熱活性化樹脂で繊維を含浸させます。これにより柔軟な材料がレイアップされ、その後圧縮されて樹脂を液化・硬化させ、剛性のある結果を生成します。また、異なるポリマーで炭素フィルターをプルトロージョンして、さまざまな複雑な断面での連続CFRP長さを作成することも可能です。

アラミド繊維強化ポリマー（AFRP）

これらはポリマー基複合材料の別のグループを形成し、アラミドを補強材として利用します。アラミド繊維コンポーネントは高衝撃用途で有用です。一般的に、アラミドは織布として有用です。また、ポリエステルとエポキシ樹脂で予備含浸されています。

ここでの別の複合材料はアラミド/ペーパーハニカム材料で、エポキシ接着とアルミニウムシートでの積層による低プロファイル床パネルに有用です。

機能勾配複合材料（FGC）

機能勾配複合材料はすべての複合材料タイプの一部を形成します。この複合材料では、構造性能を通じてアプリケーションで構成要素を修正できます。特性が徐々に移行する場合、応力集中を回避するのに有用です。

また、機能勾配は、高応力ポイントでの繊維含有量の変更や追加、進行性ハイブリッド化による一部領域での衝撃耐性向上、ロービングの織りパターン変更による荷重分布変更など、簡単な場合があります。

FGCは、ロケットノズルとタービンブレードのようなより強靭で軽量な宇宙船と航空機コンポーネントの製造に有用です。

マクロ複合材料

マイクロまたはナノフォームとは異なり、マクロ複合材料は構成材料をより大きな形で組み合わせます。層や構造を明確に見ることができます。より厚く、単一シートやバーの異なる領域で異なるタイプの材料を収容できます。

マイクロタイプは構造アイテムと貨物アクセサリーのような高性能用途で使用されます。結果として、機械的強度と柔軟性などの特定要件を満たすように実際にカスタマイズできます。

複合材料の産業用途

以下は複合材料が適用可能な領域の一部です

• 建設時の合板
• 高強度成形のためのガラス強化プラスチック
• ボートハル、カヤック、航空機スキン、オートバイカウル
• メガネフレーム（通常特定の金属構造上にプラスチックを成形）
• 釣り竿の炭素繊維（エポキシ接着）
• 建設用途の鉄筋コンクリート
• 航空機の床材

結論

RapidDirectは複合材料の研究実施と開発に関する豊富な経験を持っています。専門知識は、設計、モデリング、処理、NDT、修理、接合、試験など、複合材料使用のすべての領域を網羅しています。

さらに、複合材料機械加工専任チームが、プロジェクトをすべての設計仕様と要件を満たすように処理します。CNC加工サービスのカスタムツーリングアプローチにより、炭素繊維、ポリマー基材、ケブラー、その他のタフな複合材料を処理できます。高性能部品をお探しなら、設計をお送りください。

よくある質問

複合材料は一般的にプラスチックですか？

いいえ、複合材料は一般的にプラスチックではありません。多くの複合材料が基本材料としてポリマーを含みますが、セラミックや金属などの他の材料が複合材料の基本コンポーネントとして機能できます。一部の複合材料には天然繊維も含まれます。

複合材料と従来材料、どちらが高価ですか？

複合材料を生成するために組み合わされる材料のタイプがそのコストを決定します。生産プロセスと材料タイプなどの要因により、一部のケースでは複合材料が従来材料より高価になる可能性があります。しかし、複合材料は性能向上、軽量化、耐久性向上の観点では低コスト材料です。

複合材料の主要カテゴリは何ですか？

複合材料は4つの主要カテゴリに分類されます。これらは炭素基複合材料（CMC）、ポリマー基複合材料（PMC）、セラミック基複合材料（CMC）、金属基複合材料（MMC）です。

複合材料は環境に優しいですか？

ほとんどの場合、複合材料は環境に優しいです。ただし、材料組成などの他の要因が決定要因になる可能性があります。一部の複合材料はリサイクルに適していますが、構成材料により環境に脅威を与える可能性があります。最近の研究はリサイクル可能な複合材料の開発を目指しています。

複合材料で一般的に使用される基材材料は何ですか？

さまざまなタイプのポリマーが複合材料生成で一般的に使用される材料です。その他にはアルミナのようなセラミック、チタンやアルミニウムのような金属、炭素が含まれます。

複合材料の欠点は何ですか？

他の材料と同様に、複合材料にも欠点があります。修理とメンテナンスが困難で、剥離しやすく、一部の特定用途では製造が非常に複雑です。また、金属のような従来材料と比較して衝撃耐性が低いです。

複合材料で一般的に使用される繊維材料は何ですか？

ほとんどの複合材料には、ケブラーのようなアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、アルミニウムのような金属繊維、麻や亜麻のような天然繊維が常に含まれます。