複合材料

２０２０年１１月２６日

東京工科大学 CMCセンター

客員教授

藤原 力

「２種以上の材料を組み合わせて成形することにより、単独では持つことのできない性質を発揮しうる材料」・・・その構成は、分散相とマトリックス相からなる

複合材料の種類

複合材料とは

マトリックス 強化材（繊維）

PMC(FRP) ポリマー(熱硬化樹脂(エポキシ等），熱可塑樹脂）

カーボン，ガラス、ケブラー、ボロン等

MMC(FRM) 金属（Mg,Al,Ti,Cu,TiAl等） カーボン，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３

CMC(FRC) セラミックス（Ａｌ２Ｏ３等の酸化物,ＳｉＣ等の非酸化物）

カーボン，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３

ＰＭＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＰｏｌｙｍｅｒＭＭＣ：Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＦＲＭ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＭｅｔａｌｓＣＭＣ：Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＦＲＣ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ

2

複合則

Ｅc＝αＥfVf＋ＥmVmσc＝βσfu＋（σm）εfuVm

Ｅc，σc：複合材料の縦弾性率および破壊応力

Ｅf，Ｅm：繊維およびマトリックスの縦弾性率

σfu：繊維の破壊応力

（σm）εfu：繊維の破壊ひずみに対するマトリックスの応力

α，β：繊維の形態によって決まる係数

（一方向強化の場合＝１）

3

代表的な強化繊維

強度が３５００ＭＰａ、密度が１．７～３．０→比強度が１０×１０６cm出典：坂本昭他;三菱重工技報、２８No2

カーボン繊維（５～６μm） ボロン繊維（１４０μm）

出典：AVCO社出典：インターネット

ﾎﾞｰｲﾝｸﾞ／ｴｱﾊﾞｽの各機体の構造材料重量比率-2

1970 1980 1990 2000 2010

20

40

60

80

100

747 767

777

787A320 A340

A380

A350

運航開始年

構造材料比率(%)

アルミニウム合金

複合材料

2 0 世 紀 2 1 世 紀

5

構造材料の交替

出典：中沢、伊原木：JFE 2014 January No.45 17-27

ﾎﾞｰｲﾝｸﾞ／ｴｱﾊﾞｽの各機体の構造材料重量比率-1

201020001990198019701960

B747

チタン合金4%

複合材料1%

その他1%

アルミニウム合金81%

鉄鋼13%

B767

アルミニウム合金79%

鉄鋼15%

その他1%

複合材料3%

チタン合金2%

B777

アルミニウム合金70%

鉄鋼11%

チタン合金7%

複合材料11%

その他1%

B787

アルミニウム合金20%

鉄鋼10%

チタン合金15%

複合材料50%

その他5%

A320

その他2%

アルミニウム合金68%

鉄鋼9%

チタン合金6%

複合材料15%

A340

アルミニウム合金67%

鉄鋼7%

チタン合金6%

複合材料18%

その他2%

A380

アルミニウム合金61%

鉄鋼5%

チタン合金5%

複合材料22%

GLARE3%

その他4%

A350

アルミニウム合金20%

鉄鋼7%

チタン合金14%複合材料

52%

その他7%

運航開始年

6出典：中沢、伊原木：JFE 2014 January No.45 17-27

7

A350

アルミニウム合金20%

鉄鋼7%

チタン合金14%複合材料

52%

その他7%

出典：中沢、伊原木：JFE 2014 January No.45 17-27

ｴｱﾊﾞｽA350 複合材構造

CONFIDENTIAL 株式会社菱友システムズ

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７８７の日本担当部位

出典：JADC;「民間航空機に関する市場予測2020-2039

CFRPプリプレグ

出典：インターネット

自動レイアップマシン（例）

出典：インターネット

７８７胴体（ＫＨＩ）

出典：インターネット

現在の自動レイアップマシン

出典：インターネット

７７７Ｘの複合材工場（＠Everett)には

MToressとElectroimpactの自動レイアップマシンばっかし

日機装のCFRPカスケード（逆噴射装置：ブレーキ）

出典：インターネット

JAMCO

航空機内装（ラバトリー,ギャレー（,シート）メーカー）

複合材としてハニカムコア（ハニカムサンドイッチ）ADP（ＡDvanced Ｐｕｌｔｒｕｓｉｏｎ）

ロケット

段間部

出典：MHIカタログ

17

テーラーメイド製品（部品）に合わせて設計と材料開発が一体となることが必須

繊維、マトリックス、界面、製造（プロセス）等の組み合わせは無数にあり、部品ごとに部品の要求に合わせて最適な組み合わせをテーラーリング

金属材料のように材料を購入しそれを設計に合わせて部品に加工するやり方は不可

材料単独の製造（研究開発）は意味をなさない（川上と川下が一本の線で結ばれないとできない）

複合材（PMC,MMC,CMC)の特異性

出典：坂本昭「日本ロボット学会、１３No2

戦闘機用ジェットエンジン

出典：インターネット

民間旅客機用ジェットエンジン

吸入流出

圧縮機(低圧・高圧)

ファン

燃焼器タービン

(高圧・低圧）

出典：RRカタログ

繊 維 適 用二次加工成 形（一次加工）

プリフォーム配向・積層

プリフォーム製 造

繊 維コーティング

単繊維

トウ,ヤーン

付与〉

短繊維(ウィスカーなど)

CVD,PVD

コーティング

電着など

グリーンテープ

織物

ぬれ性接合性〈

〈反応抑制〉

溶浸ワイヤ,テープ

溶射テープ

PVD,CVD

繊維/金属粉末配合

単層テープ

単層テープ

異 方 性テイラメイド〈 〉

ホットプレス成形（含むHIP)

ロール成形

押出し・引抜成形)

溶湯成形など

粉末や金法（含むHIP)

切断・せん断機械加工高エネルギー加工

接合拡散接合ろう付け接着機械的結合

マトリックス金 属

出典：坂本昭他;三菱重工技報、２８No2

金属基複合材料の製造プロセス

代表的金属基複合材料の組織

C/Al

SiC(太径)/TiAl

SiC(細径)/Al

SiC(ウィスカー)/Al

出典：坂本昭、次世代産業基盤技術国際シンポジウム予稿集、（１９８８）

次世代プロジェクト開発MMCの比強度v.s.比強度

出典：C.M.Ward-Close他、Recent Advances in Titanium Metal Matrix Composites, TMS,1995

出典：C.M.Ward-Close他、Recent Advances in Titanium Metal Matrix Composites, TMS,1995

出典：S.Mall他、Titanium Matrix Composites、TechnomicPublication Company, Inc.,1998

出典：R. Ravenhall他、AIAA 90-2178出典：S.Mall他、Titanium Matrix Composites、TechnomicPublication Company, Inc.,1998

出典：I. J. Toth:Proc. Of 19th Natinal SAMPE Symposium, 1974

出典：I. J. Toth:Proc. Of 19th Natinal SAMPE Symposium, 1974

出典：山田毅.博士論文(東大）２００１

実部品製造は可能であることを証明し、性能も設定目標値を満足するも、

長繊維強化金属基複合材料はエンジンへの適用無し

コスト、品質（含む安定性）、量産性が実用化レベルに達しなかった

出典：山田毅.博士論文(東大）２００１

耐熱金属材料の開発状況とCMCの位置づけ. 代表的CMC（SiC/SiCとOx/Ox）の使用温度領域が目標温度と共に比較されている

出典：香川豊,七丈直弘：まてりあ，2019

CMC（SiC /SiC）の代表的な断面組織の例

出典：香川豊,七丈直弘：まてりあ，2019

CMC複合化プロセス研究室

SiC /SiC複合材を対象に溶融Si含浸法(Si-MI:Melt Infiltration)法の研究

溶融Siの濡れ特性

溶融Si含浸装置

SiC粒子とカーボン粉末の混合体（SiC/SiCプリフォーム内部）への溶融Siの含浸直接観察

Siを溶融させ、プリフォーム内部に含浸内部のCと反応させSiCマトリックスを形成

炭素を含んだプリフォームの作製

Si (固体)

Si (液体)

SiC/SiC複合材料

溶融Si含浸法(si-MI:MeltInfiltration)

出典：ＣＭＣセンター資料