テキスト「改訂機械材料学」P.330 2種類以上の異なる材料を組み合わせて,それぞれの長所を生 かし短所を補って，単一材料では得られない優れた特性を持た せた材料 第十回目 6. 複合材料 セラミックス，高分子，金属 →強じん材料＋軽量性 生命医科学部 医工学科 バイオメカニクス研究室（片山・田中研） IN116N 田中 和人 E-mail: [email protected] 内線: 6408 Biomechanics Laboratory 材料工学Ⅰ 設計できる材料 Tailored material 6. 複合材料 Biomechanics Laboratory 繊維強化高分子基複合材料：FRP（Fiber Reinforced Plastics) GFRP（Glass Fiber Reinforced Plastics)：ガラス繊維強化プ ラスチックス CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)：炭素繊維強化プラ スチックス ArFRP(Aramid Fiber Reinforced Plastics)：アラミド繊維強化 プラスチックス ACM(Advanced Composite Materials)：先進複合材料 Airbus tailfin-first and largest all-composite primary structural component in civil aviation 宇宙構造物では複合材料 が多用される． どこに利用されているか Biomechanics Laboratory 母材の違いにより PMC（Polymer Matrix Composites)：高分子基複合材料 MMC(Metal Matrix Composites)：金属基複合材料 CMC(Ceramic Matrix Composites)：セラミックス基複合材料 6. 複合材料 Biomechanics Laboratory プレジャーボート 風力発電用ブレード 浄化槽 FRP浴槽 GFRP（Glass Fiber Reinforced Plastics)： ガラス繊維強化プラスチックス Biomechanics Laboratory FRP Biomechanics Laboratory 次世代超大型機A380 レーシングカー ゴルフ，テニス，スキー用品 競技用自転車 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)： 炭素繊維強化プラスチックス Biomechanics Laboratory CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)： 炭素繊維強化プラスチックス Biomechanics Laboratory ε同じ 繊 維 マトリックス 繊 維 マトリックス マトリックス σ同じ マトリックス a. 弾性係数 直列 応力は同じ： 全体のひずみは加算： 並列 応力は加算： ひずみは等しい： 図6.2 材料力学的モデル Biomechanics Laboratory ε同じ 繊 維 マトリックス マトリックス 繊 維 直列 1/ET=Vf/Ef + Vm/Em EL： Vfとともに直線的に増大 並列 E= V1E1+V2E2 繊 維 マトリックス マトリックス 繊 維 マトリックス 並列 EL= VfEf+VmEm ポアソン比が繊維とマトリックスで同 じなら成立． 実際にはあくまで近似式 繊維強化複合材料の弾性係数 EL ET： Vf=0.6でも2倍程度 ε同じ マトリックス σ同じ ET 並列 EL= VfEf+VmEm 図6.2 材料力学的モデル 1→ｆ，2→m 直列 1/ET=Vf/Ef + Vm/Em σ同じ マトリックス (ii)繊維強化複合材料の弾性係数 直交異方材 マトリックス (ii)繊維強化複合材料の弾性係数 直交異方材 繊維方向：L方向（longitudinal direction) 繊 維 直 角 方 向 ： T 方 向 （ Transverse direction) 直列 1/E=V1/E1 + V2/E2 Biomechanics Laboratory 複合則 図6.1 繊維強化複合材料の構成 図6.5 Vf とET， ELの 関係 （ Ef/ Em=10 の場合） Biomechanics Laboratory 繊維強化複合材料の弾性係数 Biomechanics Laboratory (ii)繊維強化複合材料の弾性係数 直交異方性材 弾性範囲内でのひずみは εL=σL/EL-νTL(σT/ET) εT=σT/ET-νLT(σL/EL) γLT=τLT/GLT 異方性の主軸に関する各応力とひずみ σL=σθcos2θ σT=σθsin2θ τLT=σθcosθsinθ εθ = εL cos2θ + εT sin2θ + γLTcosθsinθ 1/Eθ=εθ/σ=cos4θ/EL+sin4θ/ET+cos2 θsin2θ(1/GLT-2νLT/EL) 一方向強化材 EL=Efβ+Em(1-β) 弾性係数の異方性 (i)粒子分散強化材の強度 微粒子：転位のピン止め，固溶体，析出硬化 大きい粒子，介在物：応力集中，害 マトリックスがぜい性：単体よりも強度低下に注意 図6.6 繊維強化モデル図 Biomechanics Laboratory (ii)連続繊維強化複合材料の強度 b. 強度 Biomechanics Laboratory 繊維が破断ひずみ マトリックスも同時に破壊と 仮定すると σB=σBVf+σ*m(1-Vf) 繊維直角方向：界面，弱化 繊維方向：強化 一方向強化材，繊維とマトリックス が一体として変形 強度の複合則 繊維，マトリックスおよび複合材の 応力−ひずみ関係 図6.7 複合則による強度の予測 （εfu＜εmuの場合） b. 強度 Biomechanics Laboratory 図6.7 複合則による強度の予測 （εfu＜εmuの場合） b. 強度 Biomechanics Laboratory (ii)連続繊維強化複合材料の強度 複合材料の強度の複合則 (6.15) σB=VfσfB+ (1-Vf) σ*m Vfが非常に小さい時 σB=(1-Vf) σmb (6.16) Vfcr: 繊維強化材の強度がマトリッ クス強度に等しくなる繊維体 積含有率 Vfmin: 繊維破壊とマトリックス破壊 が同時に生じる繊維体積含 有率 図6.8 引張強度とVfの関係 （εfu＜εmuの場合） W繊維強化Cu b. 強度 Biomechanics Laboratory 繊維方向と角度θの方向に引張るとき σ=σf[β+(Em/Ef(1-β)], σB=σfBβ+σ*m(1-β) θ小：繊維破断 σθB=P/A=σLB/cos2θ θ大：界面せん断応力により破壊 τ=(P/A)cosθsinθ, σθB=P/A=τLTB/(cosθsinθ) θ=90度：界面引張り破断 σθB=σTB/sin2θ σTB：界面引張り強さ 図6.9 Ｅガラス／エポキシ一方向 複合材料の破壊応力sqBのqによ マトリックス強度よりも低い る変化（縦軸はlogスケール，● は実験点を示す） 強度の異方性 Biomechanics Laboratory （iii）短繊維強化材の強度 dP/dx=2πrfτ 繊維の引張応力 σf=P/πrf2 繊維端x=0:P=0で σf =0 dσf/dx=2τ/rf=2τs/rf ∴σf =(2τs/rf)x 図6.10 せん断応力と引張 応力のつり合い メリット：射出成形が可能など，作りやすい 短繊維強化材 Biomechanics Laboratory 短繊維強化材の強度 Biomechanics Laboratory 表6.1 繊維強化材料構成素材の特性（繊維の特性） （iii）短繊維強化材の強度 σf =(2τs/rf)x σfmax =εEfにて繊維強化効果 以後σf =εEf一定：L=Lc σfmax=(2τs/rf)(Lc/2)=(τs/rf)Lc 限界繊維長：L= Lcにおいて， 図6.10 せん断応力と 引張応力のつり合い 繊維の破断強さσfB 繊維直径dfとすると Lc/df=σfB/2τs Lc/df:臨界アスペクト比 L＞Lcにて強化作用大 図6.11 短繊維での引張応力の変化 短繊維強化材の強度 Biomechanics Laboratory 表6.2 繊維強化材料構成素材の特性（マトリックスの特性） 6.3 繊維強化材の比強度，比剛性 Biomechanics Laboratory 表6.3 各種繊維強化材料の強度 CFRP一方向強化材：繊維方向の強度，弾性係数は高強度合金 鋼に匹敵 Biomechanics Laboratory マトリックスの特性 Biomechanics Laboratory 各種繊維強化材料の強度 比 強 度 （ specific strength ） ： 強 度 を 比重量（単位体積 あたりの重量）で除 した値 比 剛 性 （ specific stiffness ） ： 剛 性 を 比重量で除した値 従来の材料 ＜比強度＝4×104m， 比剛性＝4×106m 異方性が著しく繊維方向 弾性係数，引張強さの直 角方向に対する比は数 十倍 図6.12 複合材料（CFRP）と金属材料の応力−ひずみ関係の比較 複合材料（CFRP）と金属材料の応力−ひずみ 関係 Biomechanics Laboratory 図6.13 各種材料の比強度，比弾性係数 6.3 繊維強化材の比強度，比剛性 表6.5 切欠きによる強度低下 擬似等方材，織物 材：一方向強化材 に比べて大きく強 度低下 表6.4 CFRPの積層構成による力学特性 の違い（Vf＝60％） 6.3 繊維強化材の比強度，比剛性 Biomechanics Laboratory Biomechanics Laboratory 複合材料の場合，有 孔板の強度低下が大 きく圧縮の場合に1/2 まで低下 等方性材料と比べて 応力集中係数が大き くなること（等方性で3， CFRPでは最大9）， 塑性変形による応力 緩和がないこと等が 原因 Biomechanics Laboratory 切欠きによる強度低下 軽くて高強度と高剛性 σx Mx h σx = Mx y Iz σ max = Mx h Mx = Iz 2 Z 軽くて高強度と高剛性 表面に薄い高強度・高弾性の表面材（facing plate） 厚い心材（core） 航空機，人工衛星やロケットなどの航空宇宙機器，車輌・船 舶などの運輸産業機器，あるいはパラボラアンテナなどの 電子通信機器に多く使用されている． 断面二次モーメント 図6.22 サンドイッチ材の構成要素の模式図。心材 としてハニカムを用いた例を示している。 8. サンドイッチ材 Biomechanics Laboratory 六角形の柱を多数集めて蜂の巣状に成形したもの 直交異方性材料 リボン方向のせん断強さ，弾性係数： 直角方向の2倍 Biomechanics Laboratory 8. サンドイッチ材 1)比強度，比剛性が従来の金 属等と比べ高い 1980年代後半以降に就航し た 民 間 旅 客 機 で は CFRP が 一次構造に多用 Boeing 777水平・垂直尾翼，床下支持板 2)設計できる．圧力容器では円 周方向応力は軸方向応力の 2倍となるが，繊維角度を調 整することにより，材料の強 度を円周方向が軸方向の2 倍となるように材料を設計す ることが可能 図6.25 ハニカムの模式図 ハニカム材 Biomechanics Laboratory 3)スマート材料 9. 特性を活かした応用例 Biomechanics Laboratory 特徴 繊維強化熱硬化性プラスチックス ハンドレイアップ法 スプレイアップ成形 フィラメントワインディング成形 オートクレーブ成形 プレス成形 常温，常圧 人手，生産性悪い 工程 強化繊維のマットやシートを型に敷き詰める 強化繊維へ液状樹脂を刷毛やローラーで含浸させる 繊維強化熱可塑性プラスチックス 射出成形 スタンピング成形 図4.1 複合材料の成形 Biomechanics Laboratory 特徴 常温，常圧 成形能率良し，熟練必要 工程 ガラスロービングを切断しながらスプレーガンで吹き付け 含浸ローラーで含浸させる 図4.2 ハンドレイアップ法 Biomechanics Laboratory 特徴 自動化 工程 連続繊維などに樹脂を含浸させる 心材に巻きつけ硬化 図4.3 スプレイアップ法 Biomechanics Laboratory フィラメントワインディング成形 Biomechanics Laboratory 特徴 機械的特性の高い複合材料の成形が可能 時間がかかる，高価 工程 プリプレグ（樹脂を含浸させた繊維シート）をレイアップ オートクレーブの中で加圧，加熱 素材 SMC(sheet molding compound):熱硬化性樹脂+充填材+ 重合促進剤+低収縮剤+強化繊維 成形用中間素材 BMC(buls molding compound):SMCよりも塊状 工程 連続繊維などに樹脂を含浸させる 心材に巻きつけ硬化 図4.4 Biomechanics Laboratory オートクレーブ成形 素材 スタンパブルシート:ガラス長繊維マット+熱可塑性樹脂 特徴 軽量，短時間，低コスト 自動車用部材，電子機器，産業部材に利用 工程 ヒータで予熱 プレス機で加圧 プレス成形 Biomechanics Laboratory 素材 短繊維強化熱可塑性樹脂ペレット ( Fiber length < 1 mm ) 長繊維強化熱可塑性樹脂ペレット ( Fiber length = 4~12 mm) 特徴 優れた生産性 良好な成形品表面精度 複雑な形状の成形が可能 不連続繊維のため機械的特性が低い 可塑混練過程での繊維折損が問題 図4.6 図4.5 スタンピング成形 Biomechanics Laboratory 射出成形 Biomechanics Laboratory
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