比強度

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比強度
specific strength
量記号
次元 L 2 T -2
種類 スカラー
SI単位 N·m/kg
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破断長
breaking length
量記号
次元 L
種類 スカラー
SI単位 m
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比強度(ひきょうど、英語: specific strength)または強度重量比重量比強度 (strength‐to‐weight ratio, strength/weight ratio) は、物質の強さを表す物理量のひとつで、密度あたり引っ張り強さである。つまり「引っ張り強さ ÷ 密度」で得られる。比強度が大きいほど、軽いわりに強い材料である。

引っ張り強さのSI単位パスカル Pa (= N/m2)、密度のSI単位はキログラム毎立方メートル kg/m3 なので、比強度のSI単位はニュートンメートル毎キログラム N·m/kg となる(実際は接頭辞をつけた kN·m/kg が多い)。なお、計算上 N·m/kg = J/kg = m2/s2 だが、比強度の単位としては N·m/kg と表す。

破断長破壊長 (breaking length) または self support lengthcharacteristic height は、「引っ張り強さ ÷ 重量密度」、言い換えれば、「比強度 ÷ 重力加速度」である。比強度に比例するが長さの次元を持ち、長さの単位 m(実際は km が多い)で表される。破断長の物理的な意味は、細長い柱体鉛直にぶら下げたときに、破断せず自重を維持できる最大の長さ(高さ)である。厳密には、破断長は重力加速度に反比例するので物性のみでは決まらないが、通常は標準重力加速度 9.80665 m/s2 で計算して物性固有の値とみなす。

古い文献では、比強度として単位にキログラム毎平方ミリメートル kg/mm2 を使っているものがある。これは実際は重力単位系の重量キログラム毎平方ミリメートル kgf/mm2 の意味で、「引っ張り強さ ÷ 密度」の引っ張り強さを kgf/mm2 で表し、密度の代わりに無次元量比重を使って計算した値である。言い換えれば、破断長にの密度 1000 kg/m3 を掛けたということであり、1 kg/mm2 ÷ 1000 kg/m3 = 1 km より、数値は破断長/kmと同じである。

比強度・破断長の値[編集]

物質 引っ張り強度
/MPa
密度
/(g/cm3)
比強度
/(kN·m/kg)
破断長
/km
出典
コンクリート 00010 02.30 00004.35 0000.44
ゴム 00015 00.92 00016.3 0001.66
マグネシウム 00090 01.74 00051.8 0005.27 [1]
ステンレス鋼304 00505 08.00 00063.1 0006.4 [2]
真鍮 00580 08.55 00067.8 0006.91 [3]
ナイロン 00078 01.13 00069.0 0007.04 [4]
オーク 00060 00.69 00086.95 0008.86 [5]
ポリプロピレン 00080 00.90 00088.88 0009.06 [6]
アルミニウム合金 00600 02.70 00222 0022.65 [7]
チタン合金
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr
01250 04.61 00260 0027.65 [8]
マグネシウム合金 00510 01.86 00274 0027.87 [9]
バルサ材 (軸向き) 00073 00.14 00521 0053.2 [10]
Scifer steel wire 05500 07.87 00698 0071.2 [11]
炭素繊維強化プラスチック 01240 01.58 00785 0080.0 [12]
蜘蛛の糸 01400 01.31 01069 0109
シリコンカーバイド 03440 03.16 01088 0110 [13]
ガラス繊維 03400 02.60 01307 0133 [14]
1μm ホイスカー 14000 07.87 01794 0183
ベクトラン 02900 01.40 02071 0211
炭素繊維AS4 04300 01.75 02457 0250
ケブラー 03620 01.44 02514 0256 [15]
スペクトラ 03510 00.97 03619 0369 [16]
ザイロン 05800 01.54 03766 0384 [17]
コロッサルカーボンチューブ 06900 00.116 59483 6066 [18]
カーボンナノチューブ(不確実) 62000 00.037
–1.34
46268
–N/A
4716
–N/A
[19][20]

出典[編集]

  1. ^ レアメタル便覧
  2. ^ ASM Material Data Sheet”. 2015年10月20日閲覧。
  3. ^ RoyMech: Copper Alloys
  4. ^ Goodfellow: Polyamide - Nylon 6
  5. ^ Delft University of technology: Oak wood
  6. ^ Goodfellow: Polypropylene
  7. ^ Vectran fiber: specific strength
  8. ^ AZo Materials Data Sheet”. 2016年11月14日閲覧。
  9. ^ [1]
  10. ^ [2]
  11. ^ 52nd Hatfield Memorial Lecture: "Large Chunks of Very Strong Steel" by H. K. D. H. Bhadeshia 2005
  12. ^ McGRAW-HILL ENCYCLOPEDIA OF Science & Technology, 8th Edition, (c)1997, vol. 1 p 375
  13. ^ Specialty Materials, Inc SCS Silicon Carbide Fibers
  14. ^ [3]
  15. ^ Network Group for Composites in Construction: Introduction to Fibre Reinforced Polymer Composites
  16. ^ Spectra Fiber - Honeywell Advanced Fibers and Composites
  17. ^ Toyobo Co.,Ltd.. “ザイロン®(PBO 繊維)技術資料 (2005) (free download PDF)”. 2012年11月4日閲覧。
  18. ^ Peng, H.; Chen, D.; et al., Huang J.Y. et al. (2008). “Strong and Ductile Colossal Carbon Tubes with Walls of Rectangular Macropores”. Phys. Rev. Lett. 101 (14): 145501. doi:10.1103/PhysRevLett.101.145501. 
  19. ^ Yu, Min-Feng; Lourie, O; Dyer, MJ; Moloni, K; Kelly, TF; Ruoff, RS (2000). “Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load”. Science 287 (5453): 637–640. doi:10.1126/science.287.5453.637. PMID 10649994. 
  20. ^ K.Hata. “From Highly Efficient Impurity-Free CNT Synthesis to DWNT forests, CNTsolids and Super-Capacitors (free download PDF)”. ​2009年12月2日閲覧。