複合材料

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複合材料(ふくごうざいりょう、: Composite material)は、2つ以上の異なる材料を一体的に組み合わせた材料のこと。強化のための強化材料とそれを支持するための母材(マトリクス)から構成されたものを指す[1]。材料の複合化という概念としては合金セラミックスなどを含む非常に広範な概念であるため、通常は繊維様のものを構造材として配列し形成するものを指し、合金セラミックスとは区別して取り扱うことが多い。

単一素材からなる材料よりも優れた点をもち、各種の複合材料が製造・使用されている。複合材(ふくごうざい)、複合素材とも。

概要[編集]

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樹脂と繊維を組み合わせることによって強度を確保する技法は7世紀に既に漆と麻布を組み合わせる乾漆造(かんしつぞう)で用いられていた。藁くずを入れた土壁なども複合材料の範疇に入る。身近な複合材料として、合板鉄筋コンクリートが挙げられる。前者は強度異方性のある複数枚の板を張り合わせて強化したいわゆるサンドイッチ構造であり、後者はコンクリートを鉄筋で補強し引張応力に対処したものである。鉄鋼製品鋼(はがね)ステンレスなど身近な素材も厳密には主材料(純鉄:Fe)にさまざまな元素を添加(ドーピング)した複合材料である。セラミックスなどの陶器ガラスなど現在日常的に利用されているあらゆる素材に、材料の複合化技術が利用されている。

繊維強化プラスチックは、金属材料(合金)よりも丈夫で軽量なことが多く、重量と燃費が関係する乗り物での利用が多い。とくに軽量化が非常に重視される航空機宇宙機では多用される。ヘリコプターの回転翼にも使用され、関節の無いヒンジレスローターが実用化されている。また、繊維の方向を工夫することにより、亀裂が拡大しにくい構造にする事が可能で戦闘ヘリコプターは銃弾を受けても数分間は飛行可能である。 ボーイング787では重量の50%近くが複合材料に占められるほどになっている。これまで幅広く使用されてきたアルミニウム合金であるジュラルミンなどは、より性能の高い新型複合材料に置き換えられ使用量は減少傾向にある。ほかに自動車などでの利用もある。

繊維強化プラスチックとは逆に、重量増加のために使われる複合材料もある。モデルガン等の遊戯銃に使用されるヘビーウェイト樹脂は、プラスチックに重金属粒子を配合したもので、強度は低下するもののプラスチックでありながら金属のような質感、重量感を持っている。

鉄筋(鉄骨)コンクリートや繊維強化プラスチックのような強化法の場合、コンクリートやプラスチックに相当する素材はマトリックス(母材)と呼ばれる。

樹脂母材による複合材は金属材料よりも高強度、軽量、錆びないなどメリットがある一方で、耐衝撃性においては金属材料に劣る。ターボファンエンジンのファンブレードには最近では複合材料が使用される例が増えているが、複合材料は金属材料に比べて耐衝撃性に劣るため、前縁部はチタンで覆われている。かつてロールス・ロイス plcRB211エンジンの開発時に当初、複合材製のファンブレードを採用したが、バードストライク試験をパスすることができず、大幅な改良に手間取っていたために資金繰りが悪化して倒産して国営化された。

開発の背景[編集]

古くはエジプト、藁と泥を混ぜた乾し煉瓦が最古と言われている。第二次世界大戦時に金属の供給が制限され、その時に木材やペーパーハニカムフェノール樹脂を含浸させた材料が代用資材として使用された。その素材を採用されたモスキート戦闘機は金属製の機体に比べて性能は遜色なかった。また、フェノール樹脂のおかげで腐る心配もなく、軽量で高強度を維持することができた。また、副次的効果としてレーダー反射断面積が小さく、敵のレーダーに捕捉されにくいという効果もあった(後にはこちらの機能が重視されるようになる)。戦後、その優れた特性を活かした用途として徐々に航空機やプレジャーボート、掃海艇、ラケット、つりざお、風力発電のブレード等に使用されるようになる。

複合材料の例[編集]

など

複合材料として用いられる素材の例[編集]

脚注[編集]

  1. ^ 三木光範、福田武人、元木信弥、北條正樹「複合材料」共立出版1997

文献情報[編集]

  • 「複合材料の力学と破壊について」末益博志(上智大学理工学部 機能創造理工学科)[1]

関連[編集]