第7章複合材料 7.1 複合材料とは（複合材料の定義）技術の進歩使用材料の傾向・高強度化・高級化・多様化単一材料の限界２種以上の混ぜ合せ［複合材料の定義］複合材料とは、材料の特性を向上させることを目的として２種類以上の材料を混ぜ合せ、それらが材料内で成形中も含めて明確な境界を有している材料のことである。材料の複合化 ① 弱点を補う ② 新しい機能を発現させる原子レベルよりも十分大きいサイズ（通常μのオーダー）例．複合材料とそうでないもの ○ 炭素繊維をプラスチックで固めた ⇒ 強化プラスチック × 炭素を混ぜ合せた鉄（炭素鋼）、球状黒鉛鋳鉄複合材料とは＝＋複合材料(Composites) 母材（matrix）強化材比強度/105in 図7.1 複合材料 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ケプラ4 S-ガラスボロン E-ガラス炭素グラファイト Al 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 比弾性率/107 図7.2 代表的な材料の比強度、比弾性率複合材料（例１）強化繊維プラスチック（FRP）特徴軽くて丈夫。単位質量あたりの強度や剛性が金属に比べて10倍以上用途家庭用バスタブ、車のエアロパーツなど EADS（欧州航空宇宙防衛株式会社）複合材料（例２）ガラス繊維強化プラスチック（GFRP）特徴耐腐食性がよい。用途小型船舶、タンクなど複合材料（例３）炭素繊維強化複合材料（CFRP）特徴比強度、比剛性が極めて高い。用途スポーツ用品、航空宇宙機器など強化繊維プラスチック（FRP）熱硬化性樹脂ポリエステルエポキシフェノールポリイミド熱可塑性樹脂ポリアミドポリカーボネートポリエーテルスルホンポリエーテルエーテルケトンポリフェニレンスルフィド FRP形成用樹脂図7.3 FRP形成用樹脂 FRP形成法ハンドレイアップスプレーアップレジンインジェクション RTM フィラメントワインディング連続形成法図7.4 繊維強化複合材料の形成法 7.2 複合材料の力学複合材料の強度と弾性率の複合則 σc=σfVf+σmVm ・・（7.1） Ec = EfVf+EmVm σc：複合材の応力 Ec：複合材の弾性率 Vｆ ,Vm ：繊維、母材の体積割合複合則から・複合材料の物性値が近似的に予測できる強化繊維、母材（樹脂）および複合材の応力ーひずみの関係 7.3 短繊維強化複合材料の破壊特性 7.3.1 引張特性短繊維強化複合材料繊維端応力集中源繊維・破壊現象が複雑・比強度、比弾性率が高くない製造過程の欠陥切欠半径が小さい場合繊維切欠半径が大きい場合 τ 応力集中部安定き裂主導型破壊損傷主導型破壊 7.3.2 疲労特性ポリエーテルエーテルケトンPEEK（母材）全寿命・・き裂発生寿命脆性短炭素繊維強化PEEK（繊維強化）全寿命・・き裂伝ぱ寿命疲労特性ポリアミド（繊維強化）き裂発生（回転曲げ、ねじり疲労）・・主応力方向に配向された繊維から、繊維方向に沿って発生するき裂進展（回転曲げ）・・軸と直角方向に折れ曲がって伝ぱするき裂進展（ねじり疲労）・・発生したき裂は成長しなくなるしかし、応力振幅が大きいとき主せん断応力方向に配向する繊維に沿ってき裂が発生する 7.4 繊維強化複合材料の界面せん断強度特性および圧縮強度特性 7.4.1 界面せん断強度特性界面・・不連続性のある異なる二つの相の間低界面せん断強度高低全体強度高高全体靭性低 7.4.2 一方向繊維強化複合材料の圧縮強度特性圧縮破壊・・せん断座屈によりおこり、キングバンドが見られる圧縮強度マトリックスの剛性が低いので、繊維の高強度が活かせないため引張強度＞圧縮強度まとめ ※ 第七章のキーワード強化繊維プラスチック（FRP）ガラス繊維強化プラスチック（GFRP）炭素繊維強化複合材料（CFRP）