複合材料

2つ以上の異なる物質の組み合わせから作られた材料

複合材料は、個々の部品とは異なる特性を持つ全体構造を形成するために材料を組み合わせることによって形成される。

複合材料（複合材料とも呼ばれる）は、2つ以上の構成材料から作られる材料です。 ^[1]これらの構成材料は、化学的または物理的特性が著しく異なり、それらが融合することで、個々の要素とは異なる特性を持つ材料が作られます。完成した構造において、個々の要素は独立して独立した状態を保ち、これが複合材料を混合物や固溶体と区別する特徴です。複数の層を持つ複合材料は、複合積層板と呼ばれます。

一般的な人工複合材料は、マトリックスを形成する結合剤と物質を与える充填材（微粒子または繊維）で構成されています。例:

• セメント、石灰、モルタル（それ自体が複合材料）を結合剤として使用したコンクリート、鉄筋コンクリート、石積み
• 木工用接着剤を結合剤として使用した集成材や合板などの複合材
• 強化プラスチック、例えばガラス繊維や、樹脂や熱可塑性プラスチックを結合剤として使用した繊維強化ポリマーなど
• セラミックマトリックス複合材料（セラミックと金属マトリックスの複合材料）
• 金属マトリックス複合材料^[2]
• 高度な複合材料。多くの場合、宇宙船や航空機への応用のために最初に開発されました。

複合材料は、一般的な材料よりも安価で、軽量で、強度や耐久性に優れています。植物や動物に見られる生物学的構造に着想を得たものもあります。^[3]ロボット材料は、センシング、アクチュエーション、コンピューティング、通信などの機能を備えた複合材料です。^{[4] [5]}

複合材料は、ボートの船体、プールのパネル、レーシングカーのボディ、シャワー室、浴槽、貯蔵タンク、模造花崗岩、人工大理石のシンクやカウンタートップなどの建設および技術構造に使用されています。^{[6] [7]}また、一般的な自動車用途でもますます使用されています。^[8]

歴史

最も初期の複合材料は、藁と泥を混ぜて建築用のレンガを作ったものでした。古代のレンガ作りは、エジプトの墓の壁画に記録されています。^[9]

ワトルとドーブは6000年以上も前に作られた、おそらく最も古い複合材料である。^[10]

• 木本植物は、樹木からの本物の木材と、ヤシや竹などの植物の両方から成り、人類が先史時代に使用していた天然の複合材料を生み出し、現在でも建築や足場に広く使用されています。
• 合板、紀元前3400年^[11]古代メソポタミア人による。異なる角度で木材を接着することで、天然木よりも優れた特性が得られる。
• カルトナージュは、石膏に浸した亜麻やパピルスの層で、エジプト第1中間期（紀元前2181-2055年頃）に遡り^{[11] 、}デスマスクとして使用されていました。
• 土壁（粘土と藁や砂利を結合剤として使用）は数千年にわたって使用されてきました。[ ^12]
• コンクリートはウィトルウィウスによって説明されており、彼は紀元前25年頃に建築十書の中で、石灰モルタルの調製に適した骨材の種類を区別しています。構造用モルタルには、ナポリ近郊の茶褐色がかった灰色、ローマでは赤褐色のポッツオーリの砂層から採取された火山砂であるポゾランを推奨しています。ウィトルウィウスは、建物に使用するセメントの比率を石灰1に対してポゾラン3とし、水中作業では石灰とプルビス・プテオラヌスを1:2と指定しており、これは基本的に、今日海で使用するコンクリートの混合比率と同じです。^[13]天然のセメント石を燃焼させると、ローマ時代以降から20世紀にかけてコンクリートに使用されたセメントが生成され、いくつかの特性は製造されたポートランドセメントより優れています。
• 紙と糊を混ぜて作る張り子は、何百年も前から使われてきました。^[14]
• 最初の人工繊維強化プラスチックは、ガラス繊維とベークライト繊維を組み合わせたもので、1935年にオーウェンズコーニング社のアルシミソンとアーサーDリトルによって開発されました^[15]
• 最も一般的でよく知られている複合材料の一つはグラスファイバーです。これは、細いガラス繊維をポリマー材料（通常はエポキシ樹脂またはポリエステル）に埋め込んだものです。ガラス繊維は比較的強度が高く硬い（しかし脆い）一方、ポリマーは延性（しかし弱く柔軟）があります。そのため、結果として得られるグラスファイバーは比較的硬く、強度、柔軟性、そして延性を兼ね備えています。^[16]
• 複合弓
• 革製の大砲、木製の大砲

例

複合材料

コンクリートは接着剤と骨材を混ぜたもので、非常に広く使用されている丈夫で強い材料です。

コンクリートは最も一般的な人工複合材料です。2009年現在^{[アップデート]}、毎年約75億立方メートルのコンクリートが製造されています。^{[17]コンクリートは通常、}セメントを母材として固めた 砕石（建設用骨材）で構成されています。コンクリートは安価な材料であり、大きな圧縮力に耐えますが、 ^[18]引張荷重の影響を受けやすいという欠点があります。^[19]コンクリートに引張抵抗力を持たせるために、高い引張力に耐えられる鉄筋をコンクリートに加え、鉄筋コンクリートを形成することがよくあります。^[20]

強化材として使用される黒色炭素繊維と人間の髪の毛の比較

繊維強化ポリマーには、炭素繊維強化ポリマーとガラス強化プラスチックが含まれます。マトリックスによって分類すると、熱可塑性複合材料、短繊維熱可塑性樹脂、長繊維熱可塑性樹脂、または長繊維強化熱可塑性樹脂があります。紙複合パネルを含む多くの熱硬化性複合材料があります。多くの高度な熱硬化性ポリマーマトリックスシステムでは、通常、エポキシ樹脂マトリックスにアラミド繊維と炭素繊維が組み込まれています。^{[21] [22]}

形状記憶ポリマー複合材料は、繊維または織物による補強材と形状記憶ポリマー樹脂をマトリックスとして用いた高性能複合材料です。形状記憶ポリマー樹脂をマトリックスとして用いているため、これらの複合材料は、活性化温度以上に加熱することで様々な形状に容易に加工することができ、低温でも高い強度と剛性を発揮します。また、材料特性を失うことなく、繰り返し再加熱・再成形することも可能です。これらの複合材料は、軽量で剛性の高い展開構造、ラピッドマニュファクチャリング、動的補強などの用途に最適です。^{[23] [24]}

高ひずみ複合材料は、高変形環境で機能するように設計された別のタイプの高性能複合材料であり、構造的な屈曲が有利な展開システムによく使用されます。^[要出典]高ひずみ複合材料は形状記憶ポリマーと多くの類似点を示しますが、その性能は一般にマトリックスの樹脂含有量ではなく繊維のレイアウトに依存します。^[25]

複合材料には、金属繊維で他の金属を強化するものもあります。例えば、金属マトリックス複合材（MMC）^[26]やセラミックマトリックス複合材（CMC）^[27]があり、これには骨（コラーゲン繊維で強化されたハイドロキシアパタイト）、サーメット（セラミックと金属）、コンクリートなどが含まれます。セラミックマトリックス複合材は、主に強度ではなく破壊靭性を目的として作られています。複合材料の別の種類として、縦糸と横糸を織り合わせた織物複合材があります。織物複合材は布状であるため、柔軟性があります。

有機マトリックス/セラミック骨材複合材には、アスファルトコンクリート、ポリマーコンクリート、マスチックアスファルト、マスチックローラーハイブリッド、歯科用複合材、シンタクティックフォーム、マザーオブパールなどがある。^[28] チョバム装甲は軍事用途で使用される特殊な複合装甲である。^[要出典]

さらに、熱可塑性複合材料は特定の金属粉末を配合することで、密度が2 g/cm ³から11 g/cm ³（鉛と同じ密度）の材料を生み出すことができます。この種の材料は一般的に「高重力化合物」（HGC）と呼ばれますが、「鉛代替」という名称も用いられます。これらの材料は、アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮、青銅、銅、鉛、さらにはタングステンといった従来の材料の代わりに、重量調整、バランス調整（例えば、テニスラケットの重心調整）、振動減衰、放射線遮蔽などの用途に使用できます。高密度複合材料は、特定の材料が危険物とみなされ禁止されている場合（鉛など）、または二次加工コスト（機械加工、仕上げ、コーティングなど）が問題となる場合に、経済的に実現可能な選択肢となります。^[29]

硬くて脆いエポキシ系炭素繊維強化ポリマー積層板を柔軟な熱可塑性積層板と交互に配置すると、耐衝撃性が向上した高度に強化された複合材料を製造できることを示す研究がいくつかある。 ^{[30]このような交互に配置された複合材料のもう1つの興味深い点は、}形状記憶ポリマーや形状記憶合金を必要とせずに形状記憶挙動を示すことができることである。例えば、ホットグルーで交互に配置されたバルサ材の層、^[31]アクリルポリマーまたはPVCで交互に配置されたアルミニウムの層^[32]、およびポリスチレンで交互に配置された炭素繊維強化ポリマー積層板などがある。^[33]

NASAの試験に使用された複合サンドイッチ構造パネル

サンドイッチ構造複合材は、軽量かつ厚いコアに、薄くて硬い2枚の外板を接合して製造される特殊な複合材料です。コア材は通常、低強度ですが、その厚みにより、サンドイッチ複合材は高い曲げ 剛性と低密度を実現します。^{[34] [35]}

合板は建設業で広く使用されている

木材は、リグニンとヘミセルロースをマトリックスとしたセルロース繊維からなる天然の複合材です。^[36] エンジニアードウッドには、木質繊維板、合板、配向性ストランドボード、木材プラスチック複合材（ポリエチレンマトリックス内の再生木質繊維）、パイクリート（氷マトリックス内のおがくず）、プラスチック含浸またはラミネート加工された紙や繊維、アーボライト、フォルミカ（プラスチック） 、マイカルタなど、多種多様な製品が含まれます。マライトなどの他のエンジニアードラミネート複合材は、端面木目バルサ材を中心コアとし、軽合金またはGRPの表面スキンに接着しています。これにより、軽量で高剛性の材料が生み出されます。^[37]

粒子複合材料は、ガラスやエポキシなどの非金属をマトリックスに充填材として分散させた粒子から構成されています。自動車のタイヤは粒子複合材料の一例です。^[38]

高度なダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティングされたポリマー複合材料が報告されており^[39]、コーティングにより表面の疎水性、硬度、耐摩耗性が向上します。

強磁性複合材料には、例えばFe系粉末のナノ結晶フィラーとポリマーマトリックスからなるポリマーマトリックスを含むものが含まれる。例えば金属ガラスから得られるアモルファス粉末およびナノ結晶粉末も使用可能である。これらの粉末を用いることで、制御された磁気特性を有する強磁性ナノ複合体を得ることができる。^[40]

製品

繊維強化複合材料は、軽量でありながら厳しい荷重条件に耐える強度が求められる高性能製品において（一般的に高価であるにもかかわらず）、航空宇宙部品（尾翼、翼、胴体、プロペラ）、ボートやスカルの船体、自転車のフレーム、レーシングカーの車体など、人気が高まっています。その他の用途には、釣り竿、貯蔵タンク、スイミングプールのパネル、野球のバットなどがあります。ボーイング787とエアバスA350の翼と胴体を含む構造は、主に複合材料で構成されています。^{[41]複合材料は}整形外科の分野でも一般的になりつつあり、^[42]ホッケースティックの最も一般的な材料です。

カーボン複合材は、今日の打ち上げロケットや宇宙船の再突入段階における熱シールドの主要材料です。太陽電池パネルの基板、アンテナ反射鏡、宇宙船のヨークなどに広く使用されています。また、ペイロードアダプター、段間構造、打ち上げロケットの熱シールドにも使用されています。さらに、航空機やレーシングカーのディスクブレーキシステムにはカーボン/カーボン材料が使用されており、炭素繊維と炭化ケイ素をマトリックスとした複合材料は高級車やスポーツカーにも導入されています。

2006 年に、亜鉛メッキ鋼に代わる非腐食性の代替品として、繊維強化複合プール パネルが住宅用および商業用の埋め込み式プールに導入されました。

2007年、TPIコンポジッツ社とアーマー・ホールディングス社は、初のオール複合材製軍用車両であるハンヴィーを発表しました。複合材の使用により、車両は軽量化され、より多くの積載量を実現しました。^[43] 2008年には、ECSコンポジッツ社が炭素繊維とデュポン社製のケブラー（鋼鉄の5倍の強度）を強化熱硬化性樹脂と組み合わせ、軍用輸送ケースを製造しました。これにより、従来品より30%軽量で高強度のケースが実現しました。

飲料水、消火、灌漑、海水、淡水化水、化学廃棄物および産業廃棄物、下水の輸送など、さまざまな目的に使用されるパイプや継手は現在、ガラス強化プラスチックで製造されています。

ファサード用張力構造に使用される複合材料は、半透明であるという利点があります。適切なコーティングと組み合わせた織物ベースの布地は、光透過性を向上させます。これにより、屋外の明るさに比べて非常に快適なレベルの照明が得られます。^[44]

風力タービンのブレードは、長さが50m程度と大型化しており、ここ数年で複合材料で製造されるようになりました。^[45]複合材料は、潮力タービンのブレードのような海洋エネルギー構造物にも使用されています。^[46]

切断者は炭素繊維複合材製の義足で、切断されていない人と同じくらい速く走ることができます。^[47]

消防士用の高圧ガスボンベ（通常、容量7～9リットル、圧力300バール）は、現在では炭素複合材で作られています。4型ボンベでは、バルブをねじ込むためのねじ山が設けられたボス部分のみに金属が使用されています。

2019年9月5日、HMD Globalは、フレームにポリマー複合材を使用しているとされるNokia 6.2とNokia 7.2を発表しました。 ^[48]

概要

炭素繊維複合部品。

複合材料は個々の材料から作られる。これらの個々の材料は構成材料と呼ばれ、主に2つのカテゴリーに分類される。1つはマトリックス（バインダー）で、もう1つは強化材である。^[49]それぞれの種類は少なくとも一部は必要である。強化材はマトリックスから支持され、マトリックスは強化材を取り囲み、その相対的な位置を維持する。強化材が優れた物理的・機械的特性を与えることで、マトリックスの特性が向上する。個々の構成材料だけでは得られない機械的特性は相乗効果によって得られる。同時に、製品や構造物の設計者は、多様なマトリックスと強化材の中から最適な組み合わせを選択するオプションを得ることができる。

エンジニアリング複合材料を成形するには、成形加工が必要です。強化材は金型表面または金型キャビティ内に配置されます。この前または後に、強化材にマトリックスを注入することができます。マトリックスは溶融反応を起こし、部品の形状を決定します。この溶融反応は、マトリックスの性質に応じて、熱可塑性ポリマーマトリックス複合材料の場合は溶融状態からの固化、熱硬化性ポリマーマトリックスの場合は化学重合など、いくつかの方法で起こります。

最終製品の設計要件に応じて、様々な成形方法を採用できます。選択したマトリックスと強化材の性質は、成形方法に影響を与える重要な要素です。製造される材料の総量も重要な要因です。迅速で自動化された製造技術への多額の設備投資を支えるために、大量の材料を使用できます。設備投資は安価ですが、人件費と金型費はそれに応じて緩やかに増加します。これは、少量生産に適しています。

市販の複合材の多くは、樹脂溶液と呼ばれるポリマーマトリックス材料を使用しています。開始原料に応じて、多くの異なるポリマーを使用できます。いくつかの広範なカテゴリがあり、それぞれに多数のバリエーションがあります。最も一般的なものは、ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール、ポリイミド、ポリアミド、ポリプロピレン、PEEKなどです。強化材は繊維であることが多いですが、粉砕された鉱物もよく使用されます。以下で説明するさまざまな方法は、最終製品の樹脂含有量を減らす、または繊維含有量を増やすために開発されています。経験則として、レイアップでは樹脂 60% と繊維 40% を含む製品が得られ、真空注入では樹脂 40% と繊維 60% の最終製品が得られます。製品の強度はこの比率に大きく左右されます。

マーティン・フッベとルシアン・A・ルシアは、木材はリグニンのマトリックス内のセルロース繊維の天然複合体であると考えている。^{[50] [51]}

複合材料のコア

複合材のレイアップ設計には、プリプレグをフォームやハニカムなどの他の材料と共硬化または後硬化させるものも数多くあります。一般的に、これはサンドイッチ構造と呼ばれます。これは、カウリング、ドア、レドーム、または非構造部品の製造において、より一般的なレイアップです。

ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリスチレンフォーム、バルサ材、シンタクチックフォーム、ハニカムなどのオープンセルおよびクローズドセル構造のフォームは、一般的にコア材料として利用されています。オープンセルおよびクローズドセルの金属フォームもコア材料として利用できます。最近では、3Dグラフェン構造（グラフェンフォームとも呼ばれる）もコア構造として利用されています。KhurramとXuらによる最近のレビューでは、グラフェンの3D構造を製造するための最先端技術の概要と、これらのフォーム状構造をそれぞれのポリマー複合材料のコアとして使用する例が示されています。^[52]

半結晶性ポリマー

半結晶性ポリマーは、化学的には等価ですが、量的にも質的にも複合材料として説明できます。結晶部分は弾性率が高く、剛性の低い非晶質相を補強します。ポリマー材料の結晶度（体積分率）は、分子構造と熱履歴に応じて0%から100% ^[53]の範囲になります。様々な加工技術を用いることで、これらの材料の結晶度を変化させ、物理的特性の項で説明するように、これらの材料の機械的特性を変化させることができます。この効果は、ポリエチレン製のショッピングバッグなどの工業用プラスチックから、異なる機械的特性を持つ糸を生産できるクモまで、様々な場所で見られます。^[54]多くの場合、これらの材料は、球晶と呼ばれるランダムに分散した結晶を持つ粒子複合材料のように振舞います。しかし、異方性を持たせることで、繊維強化複合材料のように振舞うように設計することも可能です。^[55]クモの糸の場合、材料の特性は体積分率とは無関係に、結晶のサイズに依存することさえあります。^[56]皮肉なことに、単一成分ポリマー材料は、知られている複合材料の中で最も簡単に調整できる材料の1つです。

製造方法

通常、複合材の製造には、強化材をマトリックスで湿潤、混合、または飽和させることが含まれます。その後、マトリックスは（熱または化学反応によって）結合し、剛性構造を形成します。通常、この操作はオープンまたはクローズド成形金型で行われます。ただし、構成要素を導入する順序と方法は大きく異なります。複合材の製造は、高度な繊維配置（自動繊維配置）^{[57] 、} グラスファイバースプレーレイアッププロセス^[58] 、フィラメントワインディング^[59] 、ランキサイドプロセス^[60] 、テーラードファイバー配置^[61] 、タフティング^[62]、Zピンニング^[63]など、さまざまな方法で行われます。

カビの概要

強化材とマトリックス材は金型内で融合、圧縮、硬化（加工）され、溶融反応が起こります。部品の形状は基本的に溶融反応後に固定されますが、特定のプロセス条件下では変形する可能性があります。熱硬化性ポリマーマトリックス材の溶融反応は、余分な熱や有機過酸化物などの化学反応性によって引き起こされる硬化反応です。熱可塑性ポリマーマトリックス材の溶融反応は、溶融状態からの固化です。チタン箔などの金属マトリックス材の溶融反応は、高圧下および融点付近の温度下での融合です。

多くの成形方法では、1つの金型を「下型」、もう1つの金型を「上型」と呼ぶのが適切です。「下型」と「上型」は、金型の空間的な配置ではなく、成形パネルの異なる面を指します。この慣例において、下型は常に存在し、時には上型も存在します。部品の製造は、下型に材料を塗布することから始まります。「下型」と「上型」は、オス側、メス側、A側、B側、ツール側、ボウル、ハット、マンドレルといった、より一般的で具体的な用語よりも、より一般的な説明です。連続生産では、異なる用語が使用されます。

通常、成形品はパネルと呼ばれます。特定の形状や材料の組み合わせでは、鋳造と呼ばれることもあります。また、特定の連続プロセスでは、プロファイルと呼ばれることもあります。これらのプロセスには、オートクレーブ成形、^{[64] 、} 真空バッグ成形、^{[65] 、} 圧力バッグ成形、^{[66] 、} 樹脂トランスファー成形、^[67]、軽量樹脂トランスファー成形などがあります。^[68]

その他の製造方法

その他の製造方法には、鋳造、^[69]遠心鋳造、^[70] 編組（型への編組）、連続鋳造、^[71] フィラメントワインディング、^[72]プレス成形、^[73] トランスファー成形、プルトルージョン成形、^[74]スリップフォーミング^[75]などがあります。また、 CNCフィラメントワインディング、真空注入成形、ウェットレイアップ、圧縮成形、熱可塑性成形など、様々な成形方法があります。一部のプロジェクトでは、硬化炉や塗装ブースの使用も必要です。

仕上げ方法

複合部品の仕上げも最終設計において非常に重要です。これらの仕上げには、雨浸食コーティングやポリウレタンコーティングが用いられることが多いです。

ツーリング

金型と金型インサートは「ツーリング」と呼ばれます。金型/ツーリングは様々な材料で作られます。ツーリング材料には、アルミニウム、カーボンファイバー、インバー、ニッケル、強化シリコンゴム、鋼などがあります。ツーリング材料の選択は通常、熱膨張係数、予想される成形サイクル数、最終製品の公差、望ましいまたは予想される表面状態、硬化方法、成形対象材料のガラス転移温度、成形方法、マトリックス、コスト、その他様々な考慮事項に基づいて行われますが、これらに限定されるものではありません。

物理的特性

複合材料の全体的な強度を、上限（混合則）および下限（逆混合則）条件によって制限される繊維体積分率の関数としてプロットします。

通常、複合材料の物理的特性は考慮する方向に依存し、異方性も持ちます。これは、弾性率^[76] 、極限引張強度[77] 、熱伝導率[78] 、電気伝導率^[79]など、多くの特性に当てはまります。混合則と逆混合則は、これらの特性の上限と下限を規定します。実際の値はこれらの値の間のどこかにあり、以下のような多くの要因に依存します。

• 興味の方向性
• 繊維の長さ
• ファイバーアライメントの精度
• マトリックスと繊維の特性
• 繊維とマトリックスの剥離
• 不純物の混入

図a)は複合材料が加えられた力に対して垂直な等応力状態を示し、b)は層が力に対して平行な等ひずみ状態を示している。^[78]

いくつかの材料特性については、混合則によれば、繊維に平行な方向の全体的な特性は、 ${\displaystyle E}$

${\displaystyle E_{\parallel }=fE_{f}+\left(1-f\right)E_{m}}$

混合の逆則によれば、繊維に垂直な方向では、複合材料の弾性率は次のように低くなる可能性がある。

${\displaystyle E_{\perp }=\left({\frac {f}{E_{f}}}+{\frac {1-f}{E_{m}}}\right)^{-1}.}$

どこ

• ${\displaystyle f={\frac {V_{f}}{V_{f}+V_{m}}}}$繊維の体積分率
• ${\displaystyle E_{\parallel }}$繊維に平行な複合材料の材料特性である
• ${\displaystyle E_{\perp }}$繊維に垂直な複合材料の材料特性である
• ${\displaystyle E_{f}}$繊維の材料特性である
• ${\displaystyle E_{m}}$マトリックスの材料特性である

市販されている複合材料の大部分は、強化繊維の分散と配向がランダムな状態で形成されており、その場合、複合材料のヤング率は等ひずみ境界と等応力境界の間になります。しかし、強度対重量比を可能な限り高く設計する必要がある用途（航空宇宙産業など）では、繊維の配向を厳密に制御する場合があります。

複合材料とは対照的に、標準的な鍛造形状の等方性材料（アルミニウムや鋼など）は、通常、適用される力やモーメントの方向性に関わらず、同じ剛性を持ちます。等方性材料の力/モーメントとひずみ/曲率の関係は、比較的単純な数学的関係であるヤング率、せん断弾性率、ポアソン比などの材料特性で説明できます。異方性材料の場合は、2 次テンソルの数学的処理と最大 21 個の材料特性定数が必要です。直交等方性の特殊なケースでは、ヤング率、せん断弾性率、ポアソン比のそれぞれに対して 3 つの異なる材料特性定数があり、合計 9 個の定数で力/モーメントとひずみ/曲率の関係を表します。

材料の異方性を利用する技術には、ほぞ継ぎ（木材などの天然複合材）や合成複合材のパイ継ぎなどがあります。

複合材料の機械的特性

粒子強化

一般的に、粒子強化は繊維強化よりも複合材料の強度が低い。複合材料の剛性を高め、強度と靭性を向上させるために使用される。その機械的特性から、耐摩耗性が求められる用途に用いられる。例えば、砂利粒子を補強することでセメントの硬度を大幅に高めることができる。粒子強化は、導入が容易で低コストであるため、材料の機械的特性を調整する上で非常に有利な方法である。^{[79] [80] [81] [82]}

粒子強化複合材料の弾性率は次のように表される。

${\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+K_{c}V_{p}E_{p}}$

ここで、E は弾性率、V は体積分率です。添え字の c、p、m はそれぞれ複合材料、粒子、マトリックスを表します。は定数であり、経験的に求めることができます。 ${\displaystyle K_{c}}$

同様に、粒子強化複合材料の引張強度は次のように表される。

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}+K_{s}V_{p}(T.S.)_{p}}$

ここで、TS は引張強度、 は経験的に求められる定数（ と等しくない）です。 ${\displaystyle K_{s}}$ ${\displaystyle K_{c}}$

短繊維強化（せん断遅れ理論）

短繊維は、長い連続繊維よりも製造コストが安く、簡便な場合が多いですが、それでも粒子強化よりも優れた特性が得られます。一般的な例としては、短繊維を切断してPLAやPETGなどのマトリックスに混ぜた炭素繊維強化3Dプリントフィラメントが挙げられます。

せん断遅れ理論は、短繊維複合材料のヤング率などの特性を予測するために、せん断遅れモデルを用います。このモデルでは、荷重はマトリックスから繊維へ、円筒状の界面に作用する界面せん断応力のみによって伝達されると仮定しています。せん断遅れ理論によれば、繊維に沿って移動する際の繊維軸方向応力の変化率は、繊維半径に対する界面せん断応力の比に比例します。 ${\displaystyle \tau _{i}}$ ${\displaystyle r_{0}}$

${\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}=-{\frac {2\tau _{i}}{r_{0}}}}$

これにより、繊維の全長にわたる平均繊維応力は次のように表されます。

${\displaystyle \sigma _{f}=E_{f}\varepsilon _{1}\left(1-{\frac {\tanh(ns)}{ns}}\right)}$

どこ

• ${\displaystyle \varepsilon _{1}}$複合材料におけるマクロ的な歪み
• ${\displaystyle s}$繊維のアスペクト比（長さ÷直径）
• ${\displaystyle n=\left({\frac {2E_{m}}{E_{f}(1+\nu _{m})\ln(1/f)}}\right)^{1/2}}$無次元定数である^[83]
• ${\displaystyle \nu _{m}}$行列のポアソン比である

均一な引張ひずみを仮定すると、次の式が得られる。^[84]

${\displaystyle E_{1}={\frac {\sigma _{1}}{\varepsilon _{1}}}=fE_{f}\left(1-{\frac {\tanh(ns)}{ns}}\right)+(1-f)E_{m}}$

sが大きくなるにつれて、ヤング率が連続繊維に平行になることを表す混合則に近づく傾向があります。

連続繊維強化

一般的に、連続繊維強化は、繊維を強相として弱相であるマトリックスに組み込むことによって実現されます。繊維の使用が普及している理由は、繊維の形態において並外れた強度を持つ材料が得られるからです。非金属繊維は、その結合の共有結合性により、金属繊維と比較して通常非常に高い強度対密度比を示します。その最も有名な例は炭素繊維であり、スポーツ用品から保護具、宇宙産業に至るまで、幅広い用途に使用されています。^{[85] [86]}

複合材料にかかる応力は、繊維とマトリックスの体積分率で表すことができます。

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}+V_{m}\sigma _{m}}$

ここで、 は応力、 V は体積分率です。添え字のc、f、mはそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを表します。 ${\displaystyle \sigma }$

繊維複合材料の応力-ひずみ挙動は試験によってのみ決定できるが、応力-ひずみ曲線には3つの段階が予想される。第1段階は、繊維とマトリックスの両方が弾性変形する応力-ひずみ曲線の領域である。この線形弾性領域は、次の式で表される。^[85]

${\displaystyle \sigma _{c}-E_{c}\epsilon _{c}=\epsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

ここで、 は応力、はひずみ、E は弾性率、V は体積分率です。添え字の c、f、m はそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを表します。 ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$

繊維と母材の両方が弾性領域を通過すると、応力-ひずみ曲線の第二領域が観察されます。第二領域では、繊維は依然として弾性変形していますが、母材は弱相であるため塑性変形しています。第二領域における応力-ひずみ曲線の傾きを用いて、瞬間弾​​性率を決定できます。応力とひずみの関係は、次のように表されます。

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

ここで、 は応力、はひずみ、E は弾性率、V は体積分率です。添え字の c、f、m はそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを表します。この式の2次領域における弾性率を求めるには、曲線の傾きが弾性率に等しいため、この式の導関数を使用することができます。 ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle E_{c}'={\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}\right)}$

ほとんどの場合、第2項は第1項よりもはるかに小さいので、そう仮定することができます。^[85] ${\displaystyle E_{c}'=V_{f}E_{f}}$

実際には、繊維とマトリックス間の結合相互作用のため、応力のひずみ微分は必ずしも弾性率に一致するとは限りません。この二相間の相互作用の強さは、複合材料の機械的特性に変化をもたらす可能性があります。繊維とマトリックスの適合性は、内部応力の指標となります。^[85]

共有結合した高強度繊維（例えば炭素繊維）は、転位運動によって塑性変形が起こるため、破断前には主に弾性変形を起こします。一方、金属繊維は塑性変形の余地が大きいため、複合材料は繊維と母材の両方が塑性変形する第3段階を示します。金属繊維は極低温で動作するため、多くの用途に利用されています。これは、金属繊維複合材料が非金属繊維複合材料よりも優れている点の一つです。応力-ひずみ曲線のこの領域における応力は、次のように表されます。

${\displaystyle \sigma _{c}(\epsilon _{c})=V_{f}\sigma _{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

ここで、 は応力、はひずみ、E は弾性率、V は体積率です。添え字のc、f、mはそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを表します。と はそれぞれ繊維とマトリックスの流動応力を表します。3番目の領域の直後、複合材料はネッキングを示します。複合材料のネッキングひずみは、複合材料の他の機械的特性と同様に、繊維とマトリックスのネッキングひずみの間にあります。弱い相のネッキングひずみは強い相によって遅延されます。遅延の量は強い相の体積率に依存します。^[85] ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c})}$ ${\displaystyle \sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

したがって、複合材料の引張強度は体積分率で表すことができる。^[85]

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{m})}$

ここで、TSは引張強度、は応力、はひずみ、Eは弾性率、Vは体積率です。添え字のc、f、mはそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを表します。複合材料の引張強度は次のように表されます。 ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}}$は（体積分率の任意の臨界値）以下である ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{c}}$

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}(\sigma _{m})}$より大きいか等しい ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{c}}$

体積分率の臨界値は次のように表される。

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}+(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

明らかに、が より大きい場合、複合材料の引張強度はマトリックスよりも高くなる可能性があります。 ${\displaystyle (T.S.)_{c}}$ ${\displaystyle (T.S.)_{m}}$

したがって、繊維の最小体積率は次のように表される。

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

この最小値は実際には非常に低いが、連続繊維を組み込む理由は材料/複合材料の機械的特性を向上させることであり、この体積分率の値は、この改善の閾値であるため、知っておくことは非常に重要である。^[85]

繊維配向の影響

整列した繊維

適用される応力と繊維配向との間の角度の変化は、繊維強化複合材料の機械的特性、特に引張強度に影響を与えます。この角度は、主要な引張破壊メカニズムを予測するために使用できます。 ${\displaystyle \theta }$

小さな角度では、支配的な破壊メカニズムは荷重-繊維配向の場合と同じ引張破壊です。繊維の長さに作用する分解力は、回転によって係数 だけ減少します。繊維が力を受ける分解面積は、回転によって係数 だけ増加します。有効引張強度を、配向された引張強度を とします。^[85] ${\displaystyle \theta \approx 0^{\circ }}$ ${\displaystyle \cos \theta }$ ${\displaystyle F_{\mbox{res}}=F\cos \theta }$ ${\displaystyle \cos \theta }$ ${\displaystyle A_{\mbox{res}}=A_{0}/\cos \theta }$ ${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}=F_{\mbox{res}}/A_{\mbox{res}}}$ ${\displaystyle \sigma _{\parallel }^{*}=F/A}$

${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}\;({\mbox{longitudinal fracture}})={\frac {\sigma _{\parallel }^{*}}{\cos ^{2}\theta }}}$

中程度の角度では、材料はせん断破壊を起こします。有効な力の方向は、配向方向に対して減少します。力が作用する分解面積は です。結果として生じる引張強度は、マトリックスのせん断強度に依存します。^[85] ${\displaystyle \theta \approx 45^{\circ }}$ ${\displaystyle F_{\mbox{res}}=F\cos \theta }$ ${\displaystyle A_{\mbox{res}}=A_{m}/\sin \theta }$ ${\displaystyle \tau _{m}}$

${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}\;({\mbox{shear failure}})={\frac {\tau _{m}}{\sin {\theta }\cos {\theta }}}}$

極端な角度 では、支配的な破壊モードは母材の垂直方向の引張破壊である。層状複合材料の等応力の場合と同様に、この方向の強度は配向方向よりも低い。有効断面積と力は配向方向に垂直に作用するため、どちらも によって比例する。分解引張強度は横方向の強度 に比例する。^[85] ${\displaystyle \theta \approx 90^{\circ }}$ ${\displaystyle \sin \theta }$ ${\displaystyle \sigma _{\perp }^{*}}$

${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}\;({\mbox{transverse fracture}})={\frac {\sigma _{\perp }^{*}}{\sin ^{2}\theta }}}$

支配的な破壊機構が変化する臨界角度は次のように計算できる。

${\displaystyle \theta _{c_{1}}=\tan ^{-1}\left({\frac {\tau _{m}}{\sigma _{\parallel }^{*}}}\right)}$

${\displaystyle \theta _{c_{2}}=\tan ^{-1}\left({\frac {\sigma _{\perp }^{*}}{\tau _{m}}}\right)}$

ここで、は縦方向破壊とせん断破壊との間の臨界角であり、はせん断破壊と横方向破壊との間の臨界角である。^[85] ${\displaystyle \theta _{c_{1}}}$ ${\displaystyle \theta _{c_{2}}}$

このモデルは長さ効果を無視するため、連続繊維に対して最も正確であるが、短繊維強化複合材料の強度と配向の関係を効果的に捉えていない。さらに、ほとんどの現実的なシステムでは、臨界角で予測される局所的最大値は発生しない。 ^{[87] [88] [89] [90]} Tsai -Hill基準は、寄与する降伏応力： 、、を結合することにより、配向角の関数としての繊維複合材料の引張強度をより完全に記述する。[ ^{91] [85]} ${\displaystyle \sigma _{\parallel }^{*}}$ ${\displaystyle \sigma _{\perp }^{*}}$ ${\displaystyle \tau _{m}}$

${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}\;({\mbox{Tsai-Hill}})={\bigg [}{\frac {\cos ^{4}\theta }{({\sigma _{\parallel }^{*}})^{2}}}+\cos ^{2}\theta \sin ^{2}\theta \left({\frac {1}{({\tau _{m}})^{2}}}-{\frac {1}{({\sigma _{\parallel }^{*}})^{2}}}\right)+{\frac {\sin ^{4}\theta }{({\sigma _{\perp }^{*}})^{2}}}{\bigg ]}^{-1/2}}$

ランダムに配向した繊維

繊維強化複合材料の引張強度における異方性は、材料内の繊維方向をランダムに配向させることで除去できます。これにより、配向方向の極限強度は犠牲になりますが、材料全体が等方的に強化されます。

${\displaystyle E_{c}=KV_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}}$

ここで、Kは経験的に決定された強化係数であり、粒子強化方程式に類似している。平面内でランダムに分布する繊維の場合、、3次元内でランダムに分布する繊維の場合、 となる。^[85] ${\displaystyle K\approx 0.38}$ ${\displaystyle K\approx 0.20}$

剛性とコンプライアンス弾性

複合材料は一般に異方性であり、多くの場合は直交異方性である。フォークト表記法を用いると、応力テンソルとひずみテンソルの階数を下げて、剛性 （しばしば とも呼ばれる）とコンプライアンスを行列として表すことができる。^[92] ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle S}$

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16}\\C_{12}&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26}\\C_{13}&C_{23}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36}\\C_{14}&C_{24}&C_{34}&C_{44}&C_{45}&C_{46}\\C_{15}&C_{25}&C_{35}&C_{45}&C_{55}&C_{56}\\C_{16}&C_{26}&C_{36}&C_{46}&C_{56}&C_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}$そして ${\displaystyle {\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}S_{11}&S_{12}&S_{13}&S_{14}&S_{15}&S_{16}\\S_{12}&S_{22}&S_{23}&S_{24}&S_{25}&S_{26}\\S_{13}&S_{23}&S_{33}&S_{34}&S_{35}&S_{36}\\S_{14}&S_{24}&S_{34}&S_{44}&S_{45}&S_{46}\\S_{15}&S_{25}&S_{35}&S_{45}&S_{55}&S_{56}\\S_{16}&S_{26}&S_{36}&S_{46}&S_{56}&S_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}}$

各層を個別に考える場合、それらはこの層として扱うことができ、面外応力とひずみは無視できると仮定します。つまり、およびです。^[93]これにより、剛性行列とコンプライアンス行列は次のように3x3行列に簡略化されます。 ${\displaystyle \sigma _{3}=\sigma _{4}=\sigma _{5}=0}$ ${\displaystyle \varepsilon _{4}=\varepsilon _{5}=0}$

${\displaystyle C={\begin{bmatrix}{\tfrac {E_{\rm {1}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\0&0&G_{\rm {12}}\\\end{bmatrix}}\quad }$そして ${\displaystyle \quad S={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {21}}}{E_{\rm {2}}}}&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {12}}}{E_{\rm {1}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {2}}}}&0\\0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {12}}}}\\\end{bmatrix}}}$

物質の2つの異なる座標系。構造は(1-2)座標系を持ち、物質は(xy)主座標系を持つ。

繊維強化複合材料の場合、材料中の繊維配向は構造の異方性特性に影響を与える。特性評価技術、すなわち引張試験から、材料特性は試料(1-2)座標系に基づいて測定された。上記のテンソルは、(1-2)座標系における応力-ひずみ関係を表す。既知の材料特性は、材料の主座標系(xy)に存在する。2つの座標系間でテンソルを変換することで、試験対象試料の材料特性を特定することができる。回転角を含む変換行列は^{[93]である。} ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle T(\theta )_{\epsilon }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-\cos \theta \sin \theta \\-2\cos \theta \sin \theta &2\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$のために のために ${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\epsilon }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\epsilon }{\begin{bmatrix}\epsilon \end{bmatrix}}}$ ${\displaystyle T(\theta )_{\sigma }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &2\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-2\cos \theta \sin \theta \\-\cos \theta \sin \theta &\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$ ${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\sigma }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\sigma }{\begin{bmatrix}\sigma \end{bmatrix}}}$

繊維の種類と機械的特性

産業界で最も一般的に使用されている繊維の種類は、製造が容易で入手しやすいことから、ガラス繊維、炭素繊維、ケブラー繊維です。これらの機械的特性を知ることは非常に重要であるため、以下にS97鋼と比較した機械的特性表を示します。^{[94] [95 ] [96] [97]}繊維複合材料は異方性を持つため、繊維配向角度は非常に重要です（詳細な説明は「物理的特性」の項を参照）。複合材料の機械的特性は、標準的な機械試験方法を用いて、複合材料内の繊維配向に対して様々な角度（標準角度は0°、45°、90°）でサンプルを配置することにより試験できます。一般的に、0°軸方向配向は複合材料に縦方向の曲げと軸方向の引張／圧縮に対する耐性を与え、90°フープ配向は内圧／外圧に対する耐性を与え、±45°は純粋なねじりに対する耐性を与える理想的な選択肢です。^[98]

繊維複合材料の機械的特性

繊維@ 0°（UD）、0/90°（布地）、荷重軸に対して、乾燥、室温、V _f = 60%（UD）、50%（布地）繊維/エポキシ樹脂（120℃で硬化）^[99]

	シンボル	ユニット	標準 カーボンファイバー ファブリック	高弾性率 カーボンファイバー ファブリック	Eガラス グラスファイバー生地	ケブラー ファブリック	標準 一方向 カーボンファイバー ファブリック	高弾性率 一方向 カーボンファイバー ファブリック	Eガラス 一方向 グラスファイバー生地	ケブラー 一方向生地	鋼鉄 S97
ヤング率 0°	E1	GPa	70	85	25	30	135	175	40	75	207
ヤング率90°	E2	GPa	70	85	25	30	10	8	8	6	207
面内せん断弾性率	G12	GPa	5	5	4	5	5	5	4	2	80
主要なポアソン比	v12		0.10	0.10	0.20	0.20	0.30	0.30	0.25	0.34	–
極限引張強度 0°	Xt	MPa	600	350	440	480	1500	1000	1000	1300	990
究極の複合強度 0°	Xc	MPa	570	150	425	190	1200	850	600	280	–
最大引張強度90°	ユート	MPa	600	350	440	480	50	40	30	30	–
極限複合強度90°	Yc	MPa	570	150	425	190	250	200	110	140	–
究極の面内せん断強度。	S	MPa	90	35	40	50	70	60	40	60	–
極限引張ひずみ 0°	内線	%	0.85	0.40	1.75	1.60	1.05	0.55	2.50	1.70	–
極限圧縮ひずみ 0°	除外	%	0.80	0.15	1.70	0.60	0.85	0.45	1.50	0.35	–
極限引張ひずみ90°	エイト	%	0.85	0.40	1.75	1.60	0.50	0.50	0.35	0.50	–
極限圧縮ひずみ90°	eyc	%	0.80	0.15	1.70	0.60	2.50	2.50	1.35	2.30	–
最終面内せん断ひずみ	es	%	1.80	0.70	1.00	1.00	1.40	1.20	1.00	3.00	–
密度		グラム/cc	1.60	1.60	1.90	1.40	1.60	1.60	1.90	1.40	–

繊維@±45度、荷重軸に対して、乾燥、室温、Vf = 60%（UD）、50%（布地）^[99]

	シンボル	ユニット	標準 カーボンファイバー	高弾性率 カーボンファイバー	Eガラス ファイバーグラス	標準 炭素繊維 ファブリック	Eガラス グラスファイバー生地	鋼鉄	アル
縦弾性係数	E1	GPa	17	17	12.3	19.1	12.2	207	72
横弾性係数	E2	GPa	17	17	12.3	19.1	12.2	207	72
面内せん断弾性率	G12	GPa	33	47	11	30	8	80	25
ポアソン比	v12		.77	.83	.53	.74	.53
抗張力	Xt	MPa	110	110	90	120	120	990	460
圧縮強度	Xc	MPa	110	110	90	120	120	990	460
面内せん断強度	S	MPa	260	210	100	310	150
熱膨張係数	アルファ1	ひずみ/K	2.15 E-6	0.9 E-6	12 E-6	4.9 E-6	10 E-6	11 E-6	23 E-6
水分係数	ベータ1	ひずみ/K	3.22 E-4	2.49 E-4	6.9 E-4

炭素繊維とガラス繊維複合材とアルミニウム合金および鋼鉄

鋼鉄やアルミニウム合金の強度と剛性は繊維複合材に匹敵しますが、複合材の比強度と剛性（重量に対する比 強度と剛性）は大幅に高くなります。

コスト、比強度、比剛性の比較^[100]

	炭素繊維複合材（航空宇宙グレード）	炭素繊維複合材（商用グレード）	グラスファイバー複合材	アルミニウム 6061 T-6	鋼鉄、 軽度
コスト $/LB	20ドル～250ドル以上	5ドル～20ドル	1.50ドル～3.00ドル	3ドル	0.30ドル
強度（psi）	9万～20万	5万～9万	20,000～35,000	3万5000	6万
剛性（psi）	10 x 10 6 – 50 x 10 6	8 x 10 6 – 10 x 10 6	1 x 10 6 – 1.5 x 10 6	10×10 6	30 x 10 6
密度（lb/in3）	0.050	0.050	0.055	0.10	0.30
比強度	1.8 x 10 6 – 4 x 10 6	1 x 10 6 – 1.8 x 10 6	363,640～636,360	35万	20万
比剛性	200 x 10 6～ 1,000 x 10 6	160 x 10 6 – 200 x 10 6	18 x 10 6 – 27 x 10 6	100×10 6	100×10 6

失敗

衝撃、様々な速度の衝突、または繰り返される周期的な応力により、積層板は2つの層の間の界面で分離する可能性があり、これは層間剥離と呼ばれる状態です。^{[101] [102]}個々の繊維がマトリックスから分離する可能性があり、たとえば繊維の引き抜きが挙げられます。

複合材料は、マクロスケールまたはミクロスケールで破損する可能性があります。圧縮破壊は、マクロスケールで発生する場合もあれば、圧縮座屈における個々の強化繊維で発生する場合もあります。引張破壊は、部品の正味断面破壊、またはミクロスケールでの複合材料の劣化（複合材料内の1つ以上の層がマトリックスの引張破壊、またはマトリックスと繊維間の結合破壊によって破損する）のいずれかです。

複合材料の中には脆く、初期破損の発生後にはほとんど強度が残らないものもあれば、大きな変形が可能で、損傷の発生後もエネルギー吸収能力に余裕があるものもあります。利用可能な繊維とマトリックスの違い、そしてブレンドによって得られる混合物の種類によって、複合構造に組み込むことができる特性は非常に多岐にわたります。脆いセラミックマトリックス複合材料の最も有名な破損事例は、スペースシャトル・コロンビア号の翼前縁に使用されていた炭素繊維複合材タイルが離陸時の衝撃で破損したケースです。この破損は、2003年2月1日に大気圏に再突入した際に、機体の壊滅的な分解につながりました。

複合材料は金属に比べると支持強度が比較的劣ります。

このグラフは、加えられた応力に平行に並ぶ繊維に対する配向ずれの角度に応じて、複合材料が経験する可能性がある 3 つの破壊モードを示しています。

もう一つの破壊モードは繊維引張破壊です。これは繊維が荷重方向と揃うと起こりやすくなるため、引張強度がマトリックスの強度を超えると繊維引張破壊の可能性が高まります。繊維に何らかの配向ずれ角度 θ がある場合、いくつかの破壊モードが発生する可能性があります。θ の値が小さい場合、繊維の断面積 ( A cos θ) の増加と繊維が受ける力 ( F/ cos θ) の減少により、破壊の開始に必要な応力は (cos θ) ^{−2倍に増加し、複合材料の引張強度は}σ _parallel / cos ² θになります。ここで、 σ _parallelは、繊維が適用された力と平行に揃った複合材料の引張強度です。

中間の配向ずれ角θは、マトリックスのせん断破壊を引き起こします。ここでも断面積は変化しますが、せん断応力が破壊の駆動力となるため、繊維に平行なマトリックスの面積が重要となり、1/sin θ 倍に増加します。同様に、この面積に平行な力は再び減少し（F/ cos θ）、総引張強度はτ _my / sin θ cos θ となります。ここで、τ _myはマトリックスのせん断強度です。

最後に、θの値が大きい場合（π/2に近い）、繊維が荷重の大部分を担わなくなるため、横方向のマトリックス破壊が発生する可能性が最も高くなります。それでも、繊維に垂直な力は1/sin θの係数で減少し、面積も1/sin θの係数で減少するため、複合材料の引張強度はσ _perp / sin ² θとなり、σ _perpは繊維が加えられた力に対して垂直に配向した複合材料の引張強度です。^[103]

テスト

複合材料は、破損の予測と防止を支援するために、建設前と建設後に試験が行われます。建設前試験では、曲面の層ごとの解析や、複合材料のしわ、折り目、へこみの予測のために有限要素解析（FEA）が採用される場合があります。^{[104] [105] [106] [107] [108]}材料は、製造中および建設後に、超音波、サーモグラフィー、せん断グラフィー、X線透視法^[109]、および局所領域における相対的な接着強度の完全性を評価するためのレーザー接着検査など、様々な非破壊検査によって試験される場合があります。

参照

• 3D複合材
• アルミニウム複合パネル
• アメリカ複合材料製造者協会
• 化学蒸気浸透
• 複合ラミネート
• 不連続な整列複合体
• エポキシ花崗岩
• ハイブリッド素材
• レイアッププロセス
• ナノ複合材料
• ピクリーテ
• 混合の法則
• スケールドコンポジット
• スマートマテリアル
• スマート材料と構造
• ボイド（複合材料）

参考文献

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外部リンク

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