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・高強度化・高級化・多様化

使用材料の傾向単一材料の限界

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。

原子レベルよりも十分大きいサイズ（通常 μのオーダー）

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

×

例．複合材料とそうでないもの

① 　弱点を補う

② 　新しい機能を発現させる

材料の複合化

複合材料とは

比弾性率 /107

040 50 60 70 80 90 100302010

8070605040302010

90

110100

E- ガラス

S- ガラス

ケプラ 4

Al

炭素

ボロン

グラファイト

図 7.2　代表的な材料の比強度、比弾性率

比強

度/1

05 in

強化材

図 7.1　複合材料

母材（matrix）

＋

複合材料 (Composites)

＝

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

熱硬化性樹脂

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

ポリエステルエポキシフェノールポリイミド

FRP 形成用樹脂

図 7.3　 FRP形成用樹脂

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

FRP 形成法

図 7.4　繊維強化複合材料の形成法

強化繊維プラスチック（ FRP）

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 ：複合材の応力

Ec ：複合材の弾性率

V ｆ ,Vm ：繊維、母材の体積割合

強化繊維、母材（樹脂）および複合材の応力ーひずみの関係

複合則から

・複合材料の物性値が近似的に予測できる

σc=σfVf+σmVm

Ec = EfVf+EmVm

・・（ 7.1 ）

7.3 　短繊維強化複合材料の破壊特性7.3.1 　引張特性

繊維端

繊維

製造過程の欠陥

繊維τ

応力集中部

短繊維強化複合材料

応力集中源

・破壊現象が複雑・比強度、比弾性率が高くない

安定き裂主導型破壊

切欠半径が小さい場合

損傷主導型破壊

切欠半径が大きい場合

7.3.2 　疲労特性

ポリエーテルエーテルケトン PEEK（母材）

短炭素繊維強化 PEEK（繊維強化）

脆性・・き裂発生寿命全寿命

・・き裂伝ぱ寿命全寿命

疲労特性ポリアミド（繊維強化）

き裂進展（回転曲げ）

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

・・軸と直角方向に折れ曲がって伝ぱする

・・発生したき裂は成長しなくなる

き裂進展（ねじり疲労）

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

7.4.1　界面せん断強度特性

7.4.2　一方向繊維強化複合材料の圧縮強度特性

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

界面・・不連続性のある異なる二つの相の間

全体靭性 低高

全体強度 高低

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

界面せん断強度高低

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）