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1 第十四回目 6. 複合材料 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 ktanaka@mail.doshisha.ac.jp 内線 : 6408 テキスト 改訂機械材料学 P 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 セラミックス, 高分子, 金属 強じん材料 + 軽量性 設計できる材料 Tailored material 材料工学 Ⅰ 6. 複合材料 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 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. ACM(Advanced Composite Materials): 先進複合材料 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 どこに利用されているか 6. 複合材料

2 FRP 浴槽 浄化槽 プレジャーボート 風力発電用ブレード GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics): ガラス繊維強化プラスチックス FRP 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 図 6.1 繊維強化複合材料の構成

3 マトリックストリック維マスa. 弾性係数直列応力は同じ : 全体のひずみは加算 : σ 同じ 繊 ε 同じ マトリックスマトリッ維クス繊 (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 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 複合則 b. 強度 (ii) 連続繊維強化複合材料の強度 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 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 σ B =σ B V f +σ* m (1-V f ) 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 (ε fu <ε mu の場合 ) 図 6.7 複合則による強度の予測 (ε fu <ε mu の場合 ) b. 強度 b. 強度

4 (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) σ B =V f σ fb + (1-V f ) σ* m 引張強さ 3.92GPa の炭素繊維と引張強さ 80MPa のエポキシ樹脂を用いて繊維体積含有率 60% の一方向強化材を作成した. 複合則を用いて引張強度を算出せよ. V f が非常に小さい時 σ B =(1-V f ) σ mb(6.16) V fcr : 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 V fmin : 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 V f の関係 (ε fu <ε mu の場合 ) W 繊維強化 Cu b. 強度 演習問題 表 6.1 繊維強化材料構成素材の特性 ( 繊維の特性 ) メリット : 射出成形が可能など, 作りやすい 短繊維強化材 6.3 繊維強化材の比強度, 比剛性

5 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 ) 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 マトリックスの特性 各種繊維強化材料の強度 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 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 = m, 比剛性 = m 図 6.12 複合材料 (CFRP) と金属材料の応力 ひずみ関係の比較 図 6.13 各種材料の比強度, 比弾性係数 複合材料 (CFRP) と金属材料の応力 ひずみ関係 6.3 繊維強化材の比強度, 比剛性

6 軽くて高強度と高剛性 σ x M x h σx = M Iz x y σ max = M Iz x h 2 = M Z x 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 8. サンドイッチ材 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 特徴常温, 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 ハンドレイアップ法

7 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 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 4.2 図 4.3 スプレイアップ法 フィラメントワインディング成形 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 オートクレーブ成形 プレス成形

8 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 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) 図 4.5 図 4.6 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 スタンピング成形 射出成形