複合材料の理解:種類、用途、利点

複合材料は、さまざまな化学的および物理的特性を持つ 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、耐電気性、軽量化、強度の向上、剛性の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成されます。

ユーザーが従来の材料ではなく複合材料を好む理由の 1 つは、ベース材料の特性を改善できるためです。もう 1 つの理由は、さまざまなアプリケーションでの有用性です。

略歴

人間による複合材料の使用は、1000 年前に遡ります。最初の複合材料の作成は紀元前 3400 年でした。イラクで。この古代社会では、木片をさまざまな角度でつなぎ合わせて合板を作成していました。そして紀元前 2181 年頃、エジプト人は亜麻布や石膏を染み込ませたパピルスからデスマスクを作り始めました。その後、両方の社会は船、陶器、レンガを強化するためにわらを使用して材料を強化し始めました。

西暦 1200 年、モンゴル人は当時非常に効果的だった複合弓の製造を開始しました。骨、木、絹、角、牛の腱、松ヤニを使って接着された竹から作られています。

産業革命後、合成樹脂は重合によって固体の形になりました。 1900 年代には、化学物質に関するこの知識により、ビニル、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が作成されました。すぐに合成物質の開発が始まり、化学者のレオ・ベークランドがベークライトを作成しました。耐熱性があり、電気を通さないため、さまざまな産業で役立ちます。

1930 年代には、「複合材料」と呼ばれる複合材料の開発にとって非常に素晴らしい時期が到来しました。オーエンスコーニングはガラス繊維を開発し、繊維強化ポリマー産業の創設に携わりました。これらの人工樹脂は今日でも有用であり、不飽和ポリエステル樹脂の特許は 1936 年に取得されました。2 年後、より高性能の樹脂システムが利用できるようになりました。

1961 年に、このカーボンファイバー (史上初) が特許を取得しました。その後市販されました。 1990 年代半ば、複合材料は、以前に使用されていた材料と比べてコストが低かったため、建設および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、高強度用途での使用を証明しました。

複合材料とは何ですか?

複合材料は、それぞれ異なる化学的および物理的特性を持つ 2 つ以上の成分を組み合わせて作られた複合材料です。通常、このタイプの組み合わせにより、特定の機能を実行するように設計された材料が生成されます。たとえば、より軽く、より強く、より耐電気性を高めることができます。したがって、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

これらは、基材の機能を強化することが知られており、自動車、航空宇宙、海洋、エネルギーなどのほとんどの産業用途で有用であるため、従来の材料よりも好まれています。

各構成材料の物理的または化学的特性は異なっていますが、それらを組み合わせることで、個々の要素とは異なる独自の特性を持つ材料が生成されます。結合された構造内では、これらの個々の要素は分離されているため、複合材料と固溶体および混合物が区別されます。

人工複合材料の例は次のとおりです。

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材
セラミックマトリックス複合材料
ガラス繊維や繊維強化ポリマーなどの強化プラスチック。

新しいマテリアルがこのカテゴリに含まれる理由はさまざまです。これらの素材は、一般的な素材よりも強度が高く、安価で、軽量、または耐久性に優れています。

研究者は、計算、センシング、通信、作動などの高度な機能を、一般にロボット材料として知られる複合材料に組み込み始めています。

複合材料は、特に建物や橋など、幅広い用途で知られています。また、スイミングプールのパネル、貯蔵タンク、カウンタートップ、シャワー室、レーシングカーのボディ、模造花崗岩、養殖大理石のシンク、ボートの船体などの構造物にも一般的に使用されています。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、航空機や宇宙船などの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ますか?

複合材料は、アラミド、ガラスカーボンなどの天然人工繊維やその他の強化材で強化された特定のポリマーマトリックスから製造されます。

マトリックスは、外部または環境による損傷から繊維を保護し、繊維間の荷重の伝達を助けます。さらに、繊維はマトリックスを強化するための剛性と引張強度を提供し、破損やひび割れに対する抵抗力も高めます。

ほとんどの工業製品では、マトリックスはポリエステル樹脂であり、強化材はガラス繊維です。ただし、複合材料に使用される強化材と樹脂のブレンドは数多くあります。ただし、複合材料では強化材と樹脂の多くの組み合わせが利用されており、それぞれの材料が完成品の特殊な特性に貢献します。繊維は強力ですが脆く、剛性と引張強度を提供します。一方、より柔軟な樹脂は形状を提供し、繊維を保護します。

合成および天然複合物

複合材料には、天然または合成の形状があります。たとえば、木材は木材繊維とリグニンからなる天然の複合物です。繊維は木材の強度に寄与し、リグニンは木材を結合して安定性をもたらします。

一方、合板は合成材料と天然材料の両方からなる複合材料です。合板の場合、ベニヤの薄い層が平らなシートを形成し、天然木に比べて強度が高くなります。

プラスチックは複合材料ですか?

プラスチックには複合材料もあれば、純粋なプラスチックもあります。たとえば、アラミド繊維強化プラスチックは製造において一般的であり、装甲板やヘルメットに使用されるケルバープラスチックの特性をよく模倣しています。したがって、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、ベースプラスチックの本来の特性を損なうことなく、機械的強度と耐久性が向上します。

複合材料は工場でどのように作られるのですか?

人工複合材と工業用複合材と混同されるかもしれませんが、それらは本質的に同じものです。手動でレイアップするか機械を使用して作成するかに関係なく、自然界では利用できない複合材料はすべて人工と呼ばれます。

工場にはさまざまな方法があります。レジントランスファーモールディング (RTM)、スプレーアップ、引抜成形、オートクレーブ処理、フィラメントウェルディングなど。ただし、製造会社は複合材料を自社で製造するわけではありません。サプライヤーから適切な複合材を選択し、設計された仕様に従って完成した複合部品または製品に機械加工します。

複合材料の主な特性

複合材料は、最も要求の厳しい用途に役立ついくつかの独特の特性を備えています。複合材のこれらの特性は、複合材のパフォーマンスに貢献します。

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説明しましょう。

耐久性

複合材料は、厳しい気象条件や腐食環境でも使用できます。また、機械的衝撃や振動などの繰り返しのストレス下でも優れた性能を発揮します。これらすべてにより、宇宙船、自動車、航空宇宙用途などに最適です。

耐衝撃性

複合材料は、損傷することなく衝撃力に耐えて分散するように設計されています。これは、衝撃にさらされるアプリケーションにとって重要な特性です。衝突や衝撃による損傷に対する耐性があるため、衝突構造物には不可欠です。

強さ

複合材料は、その構成材料よりも強度が高いことが知られています。強度と耐久性が向上するため、高い耐荷重能力が必要な用途に最適なオプションとなります。

柔軟性

複合材料は曲げや変形に十分な柔軟性を持っています。壊れることなくさまざまな方向に曲がるように設計できます。それらの柔軟な性質は、義肢の製造における広範な使用に貢献します。また、材料の複合材料は、動的荷重や振動にさらされる用途においてエンジニアや設計者に優れたオプションを提供します。

耐薬品性

複合材料は、過酷な化学物質や環境からの攻撃に耐えることができます。したがって、耐薬品性コーティングや化学処理装置に最適です

軽量

複合材料は、軽量のコンポーネントや構造の製造を可能にする強力な材料です。高い強度対重量比は、軽量化が優先される産業において重要な特性として機能します。

熱安定性

複合材料は、高温条件下でも変形に耐えることができます。このような条件下でも構造的完全性を維持できることは、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。

電気伝導率

複合材料は優れた導電性を持っています。これらの材料は、絶縁性や導電性などの優れた電気特性を実現するように設計されています。

遮音性

複合材料のもう 1 つの際立った特徴は、ノイズ伝達を低減または防止する能力です。この遮音特性により、防音用途に最適です。

複合材料の利点は何ですか?

複合材料は、私たちが毎日使用する人気の素材となっています。私たちが運転する車からゴルフ用具、環境で使用されるパイプに至るまで、これらの材料は大きな役割を果たしています。ロケット船のような一部の高度なデバイスでも、機能するには複合材料が必要です。私たちの環境や日常生活におけるこれらの素材の重要性は、どれだけ強調してもしすぎることはありません。

複合材料は、従来の材料と比較すると、はるかに多くの利点を提供します。これは、それらのユニークな特性に起因すると考えられます。そのため、エンジニア、デザイナー、建築家の間でより人気のある選択肢となっています。熱安定性や極度の強度が優先される一部の厳しい環境では、通常、複合材が頼りになる素材です。

コストの削減

複合材料は、木材や金属などの従来の材料よりも経済的です。安価なだけでなく、より優れた機能を提供します。また、廃棄物が少ないため、より環境に優しいです。

制作時間と労力の削減

製造で複合材を使用すると、従来のさまざまな素材を組み立てるのにかかる時間と労力が軽減されます。

設計の柔軟性

複合材料のもう 1 つの利点は、エンジニアが複合材料を任意の形状や形状に適合させることができることです。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

材料マトリックスと強化媒体のタイプに基づいて、いくつかの複合タイプが利用可能です。これらは独特の物理的および機械的特性を備えているため、幅広い要件に適しています。

以下に一般的なタイプをいくつか示します。

ナノコンポジット

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。一般に、強化材はポリマー混合物に添加される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ます。また、微細で完璧な結晶成長を確実にするために、シリコンナノ粒子を鋼に添加することも考えられます。

タルクまたは炭酸カルシウムは、一部の用途において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ある可能性があります。

典型的なナノコンポジットは、ナノマテリアル添加剤を利用して、剛性、強度、および熱伝導性や電気伝導性などの他の特性をさまざまなポリマーマトリックスに追加します。自然の例としては、貝殻や骨が挙げられます。さらに、場合によっては、ナノマテリアルは健康上の大きなリスクとなるため、これらのマテリアルの製造が問題となる可能性があります。

金属マトリックス複合材料 (MMC)

金属マトリックス複合材料は、マグネシウムやアルミニウムなどの金属マトリックスと、ウィスカーまたは粒子の形で高強度の繊維強化材を利用します。

一般に、強化材は炭化ケイ素または炭素繊維粒子であり、基本的な金属コンポーネントの限界を超える特殊な特性を生み出します。これには、耐摩耗性の向上、弱化、熱膨張係数の低下が始まる前の、耐熱性の向上、強度の向上が含まれます。

さらに、金属基複合材料は自動車産業や航空宇宙産業で有用であり、軽量かつ高強度を実現します。また、スポーツ用品、医療機器、エレクトロニクス分野でも活躍します。これらの複合材料の加工は、ほとんどの種類の複合材料とは対照的に、より困難です。これは高温と、強化材の均一な分布の問題が原因です。

ポリマーマトリックス複合材料 (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式です。この用語には、ガラス繊維やカーボン繊維の生地を手作業でレイアップすることや、マトリックスを形成する射出、手動、または事前含浸されたポリエステルやエポキシ樹脂が含まれます。

さらに、PMC 複合材料には、高い強度と剛性 (部品の重量とは対照的に)、高い化学的耐性、熱的耐性、摩耗耐性、機械的耐性など、さまざまな利点があります。さらに、ポリマーマトリックス複合材料には非常に熟練した労働力が必要であり、これはコストの上昇を意味しますが、通常、高強度の結果が必要な用途にとっては過剰なコストではありません。

また、PMC は、剛性、高強度、軽量という利点を生かし、海洋、自動車、航空宇宙、スポーツ用品などの分野でも非常に役立ちます。 PMC の製造では、フィラメントワインディングやハンドレイアップなどの組み立て方法を扱いますが、これらのプロセスは時間がかかる可能性があります。最も適切な材料特性を達成するには、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、ポリエステルおよびエポキシで結合されたガラス繊維材料に特有のポリマーマトリックス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の内部にある可能性があり、これらの繊維の混合配向を通じて構造にある程度の異方性強度を提供します。

また、強化材に布地を使用することもできます。これにより、プロセスがより秩序正しくなりますが、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適していません。ロービングを織ることで、レイアップの品質を向上させ、より高い強度を実現できます。

ハイブリッド複合材料

これらの複合材料は、少なくとも 2 つの異なる強化繊維として存在し、最終的な材料に組み込まれます。より優れた耐性を確保するために、レイアップにおけるカーボンファイバーとガラスの組み合わせが考えられます。ラケットを製造する場合、チタンのストランドまたはメッシュを使用するのが一般的です。これは、曲げと引張のパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。

適合性の問題が材料の挙動に影響を与える可能性があるため、材料は困難になる可能性があります。たとえば、特定の繊維が他の繊維と比べてより良好な結合を形成する可能性があります。ハイブリッドマトリックスの実現可能性を確認するには、かなりのテストが必要です。ハイブリッド複合材料は、PMC と同様の用途を共有します。ただし、コストが高いため、使用は制限されています。

セラミックマトリックス複合材料 (CMC)

炭化ケイ素、アルミニウム、炭化ホウ素、炭素などの材料の複合体がセラミックマトリックスを形成します。次に、このマトリックスを強力な繊維で強化して CMC を形成します。これらのセラミックマトリックスは、優れた耐食性と耐熱性、優れた摩耗特性を備えています。しかし、セラミックは通常、強化されていない場合は常に脆くなります。炭化ケイ素、カーボン、またはアルミナのフィルターを追加すると、材料の使いやすさが向上し、脆さが解消されます。

CMC は、ガスタービンのブレード、熱交換器、航空宇宙/ロケット部品の製造に役立ちます。これらの複合材料は非常に高価であり、非常に脆いため、その用途は限られています。ただし、この分野は優れた研究の 1 つであり、特性は改善され続けています。

天然繊維複合材 (NFC)

天然繊維の使用は、複合材料の製造におけるトレンドになりつつあります。これにより、これらの材料が使用中に環境に与える影響が軽減されます。木材、ジュート、綿、亜麻などの一部の天然繊維は、さまざまな意味で重要です。

樹脂で結合された天然繊維は、自動車の内装パネルの製造に役立ちます。これらの繊維は圧縮成形を受けて特定の形状になり、その後、最終的な表面仕上げとして革またはプラスチックに張り付けられます。

より高い強度を確保し、木の効果を生み出すために、ポリマーに木繊維を追加できます。また、スケートボードのデッキには、ポリエステル樹脂マトリックスに天然繊維補強材が広範囲に使用されています。

炭素繊維強化ポリマー (CFRP)

これらはポリマーマトリックス複合材料のサブセットを形成します。それらはポリエステルおよびエポキシ結合炭素繊維に特有のものです。ハンドレイアップでは、さまざまな応力分布と荷重タイプに対応する織りパターンを使用して、織ロービングとしてカーボンファイバーを使用する必要があります。

ここでは、熱活性化樹脂を繊維に含浸させます。これにより、柔軟な材料が積層され、圧縮されて樹脂の液化と硬化が促進され、硬い結果が得られます。さまざまなポリマーを使用してカーボンフィルターを引抜成形して、さまざまな複雑なセクションに連続した CFRP の長さを作成することもできます。

アラミド繊維強化ポリマー (AFRP)

これらは、アラミドを強化材として利用するポリマーマトリックス複合材の別のグループを形成します。アラミド繊維コンポーネントは、衝撃の多い用途に役立ちます。一般に、アラミドは織物として有用である。さらに、ポリエステルおよびエポキシ樹脂があらかじめ含浸されています。

ここでのもう 1 つの複合材料は、アラミド/ペーパーハニカム素材です。これは、エポキシ接着され、アルミニウムシートを使用して積層された薄型床パネルに役立ちます。

傾斜機能複合材料 (FGC)

機能的に傾斜した複合材は、あらゆるタイプの複合材の一部を形成します。この複合材料では、構造のパフォーマンスを介してアプリケーション内の構成部品を変更できます。特性が徐々に遷移する場合、応力集中を回避するのに役立ちます。

また、機能的なグレーディングは、応力が上昇した点で繊維含有量を変更または追加するだけで簡単に行うことができます。一部の地域での回復力に影響を与えるための漸進的なハイブリッド化。ロービングの織りパターンを変更して荷重分散を変更します。

FGC は、ロケットノズルやタービンブレードなどの宇宙船や航空機のコンポーネントの弾力性と軽量化に役立ちます。

マクロ合成

マイクロやナノの形状とは異なり、マクロ複合材料は構成材料をより大きな形状で組み合わせます。層や構造がはっきりとわかります。厚みがあり、1 枚のシートまたはバーのさまざまな領域にさまざまな種類の素材を収容できます。

マイクロタイプは、構造物や貨物付属品などの高性能用途に使用されます。したがって、機械的強度や柔軟性などの特定の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とは何ですか?

以下は、複合材料が適用できる領域の一部です。

建設中の合板
高強度の成形を保証するガラス強化プラスチック
ボートの船体、カヤック、航空機のスキン、オートバイのフェアリング
眼鏡フレーム（通常は特定の金属構造の上にプラスチックを成形）
釣竿のカーボンファイバー（エポキシ接着）
建設用途に役立つ鉄コンクリート
航空機の床材

結論

RapidDirect は研究実施における豊富な経験があり、複合材料の開発に携わっています。当社の専門知識は、設計、モデリング、加工、NDT、修理、接合、テストなどを含む、複合材料の使用に関するあらゆる分野を網羅しています。

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