複合材料とは？種類と用途

複合材料は、化学的および物理的特性が異なる 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、剛性の向上など、特定のタスクを実行するように設計された材料が生まれます。 

ユーザーが従来の材料よりも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ことです。もう 1 つの理由は、さまざまな用途で役立つことです。

沿革

人類による複合材の使用は、3400年前に遡ります。最初の複合材は、紀元前2181年にイラクで作られました。この古代社会は、木の細片をさまざまな角度で互いに結合して合板を作りました。その後、紀元前XNUMX年頃には、エジプト人が亜麻布または石膏を浸したパピルスからデスマスクを作り始めました。その後、両社会は、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開発を始めました。複合弓は、骨、木、絹、角、牛の腱、松脂で結合した竹から製造されました。

後に 産業革命1900年代、合成樹脂は重合によって固体になりました。XNUMX年代には、この化学物質に関する知識により、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が作られました。合成樹脂の開発はすぐに始まり、化学者のレオ・ベークランドが ベークライト耐熱性があり、電気を通さない性質があるため、さまざまな産業で役立っています。

1930 年代は、「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代でした。オーウェンス 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。これらのエンジニアリング樹脂は今日でも役立っており、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。XNUMX 年後には、より高性能な樹脂システムが利用可能になりました。

1961 年に、炭素繊維 (史上初) の特許が取得され、市販されました。1990 年代半ばには、複合材は、それまで使用されていた材料に比べてコストが低いことから、建設や製造プロセスで非常に一般的に使用されるようになりました。

787 年代半ばのボーイング 2000 ドリームライナーの複合材は、高強度用途での活用が実証されました。

複合材料とは何ですか?

複合材料とは、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。このタイプの組み合わせにより、通常、特定の機能を果たすように設計された材料が生成されます。たとえば、より軽量、より強力、またはより電気耐性が高くなります。その結果、複合材料は強度、剛性、耐久性も向上します。

これらはベース材料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に役立つため、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りますが、こ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。組み合わせた構造内では、これらの個々の要素は独立しているため、複合材料は固溶体や混合物とは区別されます。

エンジニアリング複合材料の例には次のものがあります。

• 合板のような複合材
• 金属マトリックス複合材料
• 鉄筋コンクリートと石造建築
• セラミックマトリックス複合材料 
• グラスファイバーや繊維強化ポリマーなどの強化プラスチック。 

新しい素材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、軽量で、耐久性に優れています。

研究者たちは、計算、感知、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、特に建物や橋梁において、幅広い用途で使用されていることで知られています。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、人工大理石のシンク、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。その他の高度な例は、航空機や宇宙船などの厳しい環境での使用に最適です。

複合材料は何からできていますか?

複合材料は、アラミド、ガラスカーボンなどの天然繊維や人工繊維、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、繊維間の負荷を伝達するのに役立ちます。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、破損やひび割れへの抵抗にも役立ちます。

ほとんどの産業製品では、マトリックスはポリエステル樹脂で、強化材はガラス繊維です。しかし、複合材には強化材と樹脂の混合が数多く使用されています。複合材には強化材と樹脂のさまざまな組み合わせが使用されており、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材料

複合材料は、天然または合成の形で存在します。たとえば、木材は木質繊維とリグニンからなる天然の複合材料です。繊維は木材の強度に貢献し、リグニンは繊維を結合して安定性をもたらします。 

一方、合板は合成素材と天然素材の両方で構成された複合材です。合板の場合、薄いベニヤ板の層が平らなシートを形成し、天然木に比べて強度に優れています。

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もありますが、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業で人気があり、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非常によく模倣しています。その結果、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ています。そのため、ベースプラスチックの本来の特性を失うことなく、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しょうか? 

人工複合材と工業用複合材を混同しているかもしれませんが、これらは本質的に同じものです。自然界に存在しない複合材はすべて、手作業で積層するか機械を使用して製造するかに関係なく、人工と呼ばれます。

工場では、樹脂トランスファー成形（RTM）、スプレーアップ、プルトルージョン、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。ただし、製造会社は複合材を自分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材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で役立ついくつかの独特な特性を備えています。複合材料のこれらの特性は、複合材料の性能に貢献します。

製造プロジェクトに非常に有益なさまざまな特性について説明します。 

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。これらの特性により、宇宙船、自動車、航空宇宙などの用途に最適です。

耐衝撃性 

複合材料は、損傷を与えることなく衝撃力に耐え、分散させ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。衝突や衝撃による損傷に対する耐性があるため、衝突構造には不可欠です。

第３章：濃度 

複合材料は、その構成材料よりも強度が高いことで知られています。強度と頑丈さが強化されるため、高い耐荷重能力が求められる用途に最適です。

柔軟性 

複合材料は曲げたり変形したりするのに十分な柔軟性があります。破損することなくさまざまな方向に曲げられるように設計できます。その柔軟性により、義肢の製造に広く使用されています。また、材料の複合により、エンジニアや設計者は動荷重や振動にさらされる用途でより優れた選択肢を得ることができます。

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。そのため、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、軽量の部品や構造物の製造を可能にする強力な材料です。重量に対する強度の比率が高いため、軽量化が優先される業界では重要な特性となります。

熱安定性

複合材料は、高温環境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の能力は、極端な温度にさらされる用途では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 

複合材のもう一つの特徴は、騒音の伝達を低減または防止できることです。この遮音特性により、複合材は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、使用するゴルフ用具、私たちの環境で使用されるパイプまで、これらの素材は大きな役割を果たしています。ロケット船のような高度な装置でさえ、機能するために複合材料が必要です。私たちの環境と日常生活におけるこれらの素材の重要性は、いくら強調してもし過ぎることはありません。

複合材は、従来の材料と比較すると、はるかに多くの利点があります。これは、複合材のユニークな特性によるものです。そのため、エンジニア、デザイナー、建築家の間では、複合材がますます人気の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厳しい環境では、通常、複合材が頼りになる材料です。

コスト削減

複合材は木材や金属などの従来の素材よりも経済的です。安価であるだけでなく、機能性も優れています。また、廃棄物が少ないため、環境にも優しい素材です。

生産時間と労力の削減

生産に複合材を使用すると、さまざまな従来の材料を組み立てるのにかか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 1 つの利点は、エンジニアが複合材料を任意の形状に成形できることです。そのため、エンジニアは複合材料から複雑な部品を作成できます。

複合材料の種類

材料マトリックスと補強材の種類に応じて、いくつかの複合材タイプが用意されています。これらはそれぞれ異なる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。通常、強化材はグラフェンやカーボンナノチューブなどの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、細かく完璧な結晶成長を確実にするために、鋼にシリコンナノ粒子を添加することもできます。 

タルクまたは炭酸カルシウムは、いくつかの用途において、より強くて硬いポリマー複合材を確保するのに効果的である可能性があります。

典型的なナノ複合材料は、ナノ材料添加剤を使用して、さまざまなポリマーマトリックスに剛性、強度、熱伝導性や電気伝導性などの他の特性を追加します。天然の例としては、貝殻や骨などがあります。さらに、状況によっては、ナノ材料は健康に大きなリスクをもたらすため、これらの材料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の高強度繊維強化材を使用します。 

一般的に、強化材はシリコンカーバイドまたは炭素繊維粒子であり、耐熱性の向上、強度の向上、耐摩耗性の向上、強度低下の防止、熱膨張係数の低減など、基本的な金属部品の限界を超える特殊な特性を生み出します。

さらに、金属マトリックス複合材は自動車産業や航空宇宙産業で役立ち、軽量で強度が高いという特徴があります。また、スポーツ用品、医療機器、電子機器にも役立ちます。これらの複合材の加工は、ほとんどの複合材に比べて困難です。これは、高温であることと、強化材の均一な分布の問題のためです。

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態です。この用語には、ガラス繊維と炭素繊維の織物の手作業による積層、およびマトリックスを形成する注入、手動、または事前含浸されたポリエステル樹脂とエポキシ樹脂が含まれます。

さらに、PMC 複合材料は、部品の重量に比べて高い強度と剛性、高い耐薬品性、耐熱性、耐摩耗性、耐機械性など、さまざまな利点を提供します。さらに、ポリマー マトリックス複合材料には熟練した労働力が必要であり、コストが高くなりますが、高強度の結果を必要とする用途では通常、それほど高くはありません。

また、PMC は、剛性、高強度、軽量という利点があり、海洋、自動車、航空宇宙、スポーツ用品にも非常に役立ちます。製造 PMC 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、これは時間のかかるプロセスになる可能性があります。最も適切な材料特性を実現するには、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、ポリエステルとエポキシで結合し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 ストランド内にあり、これらの繊維の混合配向によって構造に異方性強度を提供します。 

また、補強材に布を使用することもできます。布を使用すると、プロセスがより整然としたものになりますが、すべての繊維が平面上に配置されるため、バルク部品には適していません。織りロービングを使用すると、レイアップの品質が向上し、強度が向上します。

ハイブリッド複合材料

これらの複合材は、少なくとも 2 種類の異なる強化繊維として存在し、最終的な素材に組み込まれます。カーボン ファイバーとガラスを積層して組み合わせることにより、より優れた耐性を確保できます。ラケットを製造する際には、チタン ストランドまたはメッシュを使用するのが一般的です。これにより、曲げ性能と引張性能が向上します。

適合性の問題が材料の挙動に影響を及ぼす可能性があるため、材料は扱いにくい場合があります。たとえば、特定の繊維は他の繊維よりも優れた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、十分なテストが必要です。ハイブリッド複合材は PMC と同様の用途がありますが、コストが高いため、使用が制限されています。

セラミックマトリックス複合材料 (CMC)

シリコンカーバイド、アルミニウム、炭化ホウ素、炭素などの材料の複合材料からセラミックマトリックスが作られます。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、耐腐食性、耐熱性、耐摩耗性に優れています。ただし、セラミックは強化されていないと脆くなります。シリコンカーバイド、炭素、またはアルミナフィルターを追加すると、材料の実用性が向上し、脆さが軽減されます。

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有効です。これらの複合材は非常に高価で、非常に脆いため、用途が限られています。しかし、この分野は優れた研究が行われており、特性は向上し続けています。

天然繊維複合材（NFC）

複合材の製造では、天然繊維の使用がトレンドになりつつあります。これにより、使用中にこれらの材料が環境に与える影響が軽減されます。木材、黄麻、綿、亜麻などの天然繊維は、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有効です。これらの繊維は圧縮成形されて特定の形状にされ、その後、最終的な表面仕上げとして皮革やプラスチックに張り付けられます。 

強度を高め、木目調の質感を出すために、ポリマーに木質繊維を加えることができます。また、スケートボードのデッキでは、ポリエステル樹脂マトリックスに天然繊維強化材を多用しています。

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）

これらはポリマー マトリックス複合材のサブセットを形成します。ポリエステルおよびエポキシ結合カーボン ファイバーに特有のものです。ハンド レイアップでは、さまざまな応力分布と負荷タイプに合わせて織りパターンを使用し、織り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、その後圧縮されて樹脂が液化して硬化し、硬い結果が生まれます。また、さまざまなポリマーを使用してカーボン フィルターをプルトルージョン成形し、さまざまな複雑なセクションで連続した CFRP 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。アラミド繊維成分は、高衝撃用途で役立ちます。一般に、アラミドは織物として役立ちます。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 つの複合材は、アラミド/紙ハニカム素材です。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層状にされた薄型の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料は、あらゆる種類の複合材料の一部です。この複合材料では、構造性能を介してアプリケーションの構成部品を変更できます。特性が徐々に変化すると、応力集中を回避するのに役立ちます。 

また、機能的な等級分けは、応力が上昇するポイントでの繊維含有量の変更や追加、一部の領域での弾力性を高めるための段階的なハイブリッド化、ロービングの織りパターンの変更による負荷分散の変更など、簡単に行うことができます。

FGC は、ロケットのノズルやタービンブレードなど、より耐久性が高く軽量な宇宙船や航空機の部品の製造に役立ちます。

マクロ複合材料 

マイクロ複合材やナノ複合材とは異なり、マクロ複合材は構成材料をより大きな形で組み合わせます。層や構造をはっきりと見ることができます。マクロ複合材はより厚く、1 枚のシートまたはバーのさまざまな領域に異なるタイプの材料を収容できます。

マイクロタイプは、構造部品や貨物アクセサリーなどの高性能アプリケーションに使用され、機械的強度や柔軟性などの特定の要件を満たすようにカスタマイズできます。

複合材料の産業用途は何ですか?

以下は複合材料が適用可能な分野の一部です。

• 建設中の合板
• 高強度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、航空機の外板、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）
• 釣り竿のカーボンファイバー（エポキシ接着）
• 建設目的に有用な鉄筋コンクリート
• 航空機の床

結論

RapidDirect は、研究の実施において豊富な経験を有し、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、処理、非破壊検査、修理、接合、テストなど、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。

さらに、複合材加工専門チームがお客様のプロジェクトを、設計仕様と要件をすべて満たすよう丁寧に対応いたします。CNC加工サービスにおけるカスタムツールのアプローチにより、炭素繊維、ポリマーマトリックス、ケブラー、その他の高強度複合材の加工が可能です。高性能部品をお探しでしたら、ぜひ設計図をお送りください。

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