複ふく合あい材料ざいりょう

複ふく合あい材料ざいりょう

CFRP成形せいけい用よう炭素たんそ繊維せんい

黒くろい炭素たんそ繊維せんいと毛髪もうはつとの比較ひかく

合板ごうはんの構造こうぞう

複ふく合あい材料ざいりょう（ふくごうざいりょう、英えい: Composite material）は、2つ以上いじょうの異ことなる材料ざいりょうを一体いったい的てきに組くみ合あわせた材料ざいりょうのこと。強化きょうかのための強化きょうか材料ざいりょうとそれを支持しじするための母はは材ざい（マトリクス）から構成こうせいされたものを指さす。材料ざいりょうの複ふく合ごう化かという概念がいねんとしては合金ごうきんやセラミックスなどを含ふくむ非常ひじょうに広範こうはんな概念がいねんであるため、通常つうじょうは繊維せんい様さまのものを構造こうぞう材ざいとして配列はいれつし形成けいせいするものを指さし、合金ごうきんやセラミックスとは区別くべつして取とり扱あつかうことが多おおい。

単一たんいつ素材そざいからなる材料ざいりょうよりも優すぐれた点てんをもち、各種かくしゅの複ふく合あい材料ざいりょうが製造せいぞう・使用しようされている。複ふく合ごう材ざい（ふくごうざい）、複ふく合あい素材そざいとも呼よばれる。

概要がいよう

樹脂じゅしと繊維せんいを組くみ合あわせることによって強度きょうどを確保かくほする技法ぎほうは7世紀せいきに既すでに漆うるしと麻布まふを組くみ合あわせる乾漆かんしつ造づくり（かんしつぞう）で用もちいられていた。藁わらくずを入いれた土ど壁かべなども複ふく合あい材料ざいりょうの範疇はんちゅうに入はいる。身近みぢかな複ふく合あい材料ざいりょうとして、合板ごうはんと鉄筋てっきんコンクリートが挙あげられる。前者ぜんしゃは強度きょうどに異あや方かた性せいのある複ふく数すう枚まいの板いたを張はり合あわせて強化きょうかしたいわゆるサンドイッチ構造こうぞうであり、後者こうしゃはコンクリートを鉄筋てっきんで補強ほきょうし引張ひっぱ応力おうりょくに対処たいしょしたものである。鉄鋼てっこう製品せいひん･鋼はがね（はがね）･ステンレスなど身近みぢかな素材そざいも厳密げんみつには主しゅ材料ざいりょう(純じゅん鉄てつ:Fe）にさまざまな元素げんそを添加てんか（ドーピング）した複ふく合あい材料ざいりょうである。セラミックスなどの陶器とうきやガラスなど現在げんざい日常にちじょう的てきに利用りようされているあらゆる素材そざいに、材料ざいりょうの複ふく合ごう化か技術ぎじゅつが利用りようされている。

繊維せんい強化きょうかプラスチックは、金属きんぞく材料ざいりょう（合金ごうきん）よりも丈夫じょうぶで軽量けいりょうなことが多おおく、重量じゅうりょうと燃費ねんぴが関係かんけいする乗のり物ものでの利用りようが多おおい。とくに軽量けいりょう化かが非常ひじょうに重視じゅうしされる航空機こうくうきや宇宙うちゅう機きでは多用たようされる。ヘリコプターの回転かいてん翼つばさにも使用しようされ、関節かんせつの無ないヒンジレスローターが実用じつよう化かされている。また、繊維せんいの方向ほうこうを工夫くふうすることにより、亀裂きれつが拡大かくだいしにくい構造こうぞうにする事ことが可能かのうで戦闘せんとうヘリコプターは銃弾じゅうだんを受うけても数すう分間ふんかんは飛行ひこう可能かのうである。 ボーイング787では重量じゅうりょうの50%近ちかくが複ふく合あい材料ざいりょうに占しめられるほどになっている。これまで幅広はばひろく使用しようされてきたアルミニウム合金ごうきんであるジュラルミンなどは、より性能せいのうの高たかい新型しんがた複ふく合あい材料ざいりょうに置おき換かえられ使用しよう量りょうは減少げんしょう傾向けいこうにある。ほかに自動車じどうしゃなどでの利用りようもある。

繊維せんい強化きょうかプラスチックとは逆ぎゃくに、重量じゅうりょう増加ぞうかのために使つかわれる複ふく合あい材料ざいりょうもある。モデルガン等ひとしの遊戯ゆうぎ銃じゅうに使用しようされるヘビーウェイト樹脂じゅしは、プラスチックに重金属じゅうきんぞく粒子りゅうしを配合はいごうしたもので、強度きょうどは低下ていかするもののプラスチックでありながら金属きんぞくのような質感しつかん、重量じゅうりょう感かんを持もっている。

鉄筋てっきん（鉄骨てっこつ）コンクリートや繊維せんい強化きょうかプラスチックのような強化きょうか法ほうの場合ばあい、コンクリートやプラスチックに相当そうとうする素材そざいはマトリックス（母はは材ざい）と呼よばれる。

樹脂じゅし母はは材ざいによる複ふく合ごう材ざいは金属きんぞく材料ざいりょうよりも高こう強度きょうど、軽量けいりょう、錆さびないなどメリットがある一方いっぽうで、耐たい衝撃しょうげき性せいにおいては金属きんぞく材料ざいりょうに劣おとる。ターボファンエンジンのファンブレードには最近さいきんでは複ふく合あい材料ざいりょうが使用しようされる例れいが増ふえているが、複ふく合あい材料ざいりょうは金属きんぞく材料ざいりょうに比くらべて耐たい衝撃しょうげき性せいに劣おとるため、前ぜん縁えん部ぶはチタンで覆おおわれている。かつてロールス・ロイス・ホールディングスがRB211エンジンの開発かいはつ時じに当初とうしょ、複ふく合ごう材ざい製せいのファンブレードを採用さいようしたが、バードストライク試験しけんに合格ごうかくすることができず、大幅おおはばな改良かいりょうに手間取てまどっていたために資金繰しきんぐりが悪化あっかして倒産とうさんして国営こくえい化かされた。Mitsubishi SpaceJetでは当初とうしょ、主翼しゅよくを複ふく合ごう材ざいで製造せいぞうする予定よていだったが、100席せき未満みまんの旅客機りょかくきではそれ程ほど利点りてんがないので従来じゅうらいのアルミ合金ごうきんに変更へんこうした。

開発かいはつの背景はいけい

古ふるくメソポタミアでは藁わらと泥どろを混まぜた乾ぼし煉瓦れんがが利用りようされていたことが発見はっけんされており、これは亀裂きれつを防ふせぐために混入こんにゅうされたものとされている。第だい二に次じ世界せかい大戦たいせん時ときには金属きんぞくの供給きょうきゅうが制限せいげんされ、そのさいに木材もくざいやペーパーハニカムにフェノール樹脂じゅしを含浸がんしんさせた材料ざいりょうが代用だいよう資材しざいとして使用しようされた。その素材そざいが採用さいようされたモスキート戦闘せんとう機きは金属きんぞく製せいの機体きたいに比くらべて性能せいのうは遜色そんしょくなかった。また、フェノール樹脂じゅしのおかげで腐くさる心配しんぱいもなく、軽量けいりょうで高こう強度きょうどを維持いじすることができた。また、副次的ふくじてき効果こうかとしてレーダー反射はんしゃ断だん面積めんせきが小ちいさく、敵てきのレーダーに捕捉ほそくされにくいという効果こうかもあった(後ごにはこちらの機能きのうが重視じゅうしされるようになる)。戦後せんご、その優すぐれた特性とくせいを活いかした用途ようととして徐々じょじょに航空機こうくうきやプレジャーボート、掃海そうかい艇てい、ラケット、つりざお、風力ふうりょく発電はつでんのブレード等とうに使用しようされるようになる。構造こうぞう上じょう、応力おうりょくが局所きょくしょ的てきに集中しゅうちゅうするような用途ようとには適てきさず、H-IIAロケットの固体こたいロケットブースタの装着そうちゃく方法ほうほうのように応力おうりょくを分散ぶんさんさせるための工夫くふうが必要ひつようになる。

複ふく合あい材料ざいりょうの成型せいけい

複ふく合あい材料ざいりょうの成型せいけい工程こうていには複数ふくすうの方式ほうしきがある。一体化いったいかして成型せいけいする事ことが出来できるため、その利点りてんを活用かつようした成型せいけい法ほうが採用さいようされる場合ばあいが多おおい。一般いっぱん的てきなのは熱ねつ硬化こうか性せい樹脂じゅしを含浸がんしんした炭素たんそ繊維せんいやアラミド繊維せんいのプリプレグを積層せきそう後ご、オートクレーブで加熱かねつする事ことで硬化こうかする手法しゅほうである。一方いっぽう、量産りょうさん性せいと強度きょうどの両立りょうりつを考慮こうりょして液晶えきしょうポリマーを分散ぶんさんさせた樹脂じゅしを射出しゃしゅつ成型せいけいによって金かね型がた内うちに射出しゃしゅつして成型せいけいする方法ほうほうもある。但ただし、オートクレーブを使用しようした成型せいけいは生産せいさん性せいに劣おとり、オートクレーブの大おおきさによって製造せいぞう可能かのうな成形せいけい品ひんの大おおきさが制限せいげんされるため、近年きんねんでは、前述ぜんじゅつの積層せきそう式しきの成型せいけいにおいては脱だつオートクレーブ成形せいけい法ほうも徐々じょじょに普及ふきゅうしつつある。

一般いっぱん的てきに熱ねつ可塑かそ性せい樹脂じゅし複ふく合あい材料ざいりょうは熱ねつ硬化こうか性せい樹脂じゅし複ふく合あい材料ざいりょうに比くらべて、第だい1に靭うつぼ性せいがあり（衝撃しょうげき後ご圧縮あっしゅく強度きょうど（CAI 強度きょうど）が高たかい）、第だい2に成形せいけい温度おんどは高たかいが短時間たんじかんで成形せいけいできる等とうの利点りてんを有ゆうする。短時間たんじかんで成形せいけいできるので生産せいさん性せいが高たかくコストダウンに貢献こうけんする。

セラミックス基もと複ふく合あい材料ざいりょう

高温こうおん条件下じょうけんかで使用しようする用途ようとにおいては無機むき化合かごう物ぶつによるセラミックス基もと複ふく合あい材料ざいりょう(Ceramic Matrix Composites: CMC)が使用しようされる。酸化さんかアルミニウム、炭化たんか珪素けいそ、ムライト等ひとしが使用しようされ、特とくに有機ゆうきケイ素けいそポリマーを前駆ぜんく体たい とする非ひ晶あきら質しつ炭化たんかケイ素けいそ系けい長ちょう繊維せんいは金属きんぞく基もと及およびセラミックス基もと複ふく合あい材料ざいりょうの強化きょうか繊維せんいとして注目ちゅうもくされていてSi-CO系けい 繊維せんい (日本にっぽんカーボン製せい, 商品しょうひん名めい:ニカロン) 及およびSi-Ti-GO系けい 繊維せんい (UBE製せい, 商品しょうひん名めい:チラノ繊維せんい)等とうがある。

金属きんぞく基もと複ふく合あい材料ざいりょう

金属きんぞく基もと複ふく合あい材料ざいりょうは繊維せんいやウィスカーによって金属きんぞくの母はは材ざいを強化きょうかする。

複ふく合あい材料ざいりょうの例れい

• 合板ごうはん - 複数ふくすうの種類しゅるいの木材もくざい
• 繊維せんい強化きょうかプラスチック - 繊維せんい + プラスチック（母はは材ざい）
• 炭素たんそ繊維せんい強化きょうかプラスチック-炭素たんそ繊維せんい+樹脂じゅし
• 炭素たんそ繊維せんい強化きょうか炭素たんそ複ふく合あい材料ざいりょう (carbon-carbon, C/C) - 炭素たんそ繊維せんい + 炭素たんそ（母はは材ざい）
• 金属きんぞく基もと複ふく合あい材料ざいりょう (MMC) - 任意にんい（繊維せんいなど） + 金属きんぞく（母はは材ざい）
• セラミックス基もと複ふく合あい材料ざいりょう (CMC) - 無機むき化合かごう物ぶつ非ひ晶あきら質しつ繊維せんい + セラミックス（母はは材ざい）
• コンクリート - 砂利じゃり + セメント（母はは材ざい）
• アスファルト混合こんごう物ぶつ - 砕石さいせき + 砂すな + 石粉いしこ + アスファルト（母はは材ざい）
• 鉄筋てっきんコンクリート - 鋼はがね + コンクリート（母はは材ざい） （母はは材ざいのコンクリートもまた複ふく合あい材料ざいりょうである）
• 骨ほね （生体せいたい材料ざいりょうはほとんどが複ふく合あい材料ざいりょうである）
• パイクリート - パルプ + 氷こおり（母はは材ざい）

など

複ふく合あい材料ざいりょうとして用もちいられる素材そざいの例れい

• 軽金属けいきんぞく（アルミニウム、マグネシウム、ベリリウム、チタン等ひとし）
• 合金ごうきん（ステンレス鋼こう等ひとし）
• 繊維せんい（天然てんねん繊維せんい、ガラス繊維せんい、化学かがく繊維せんい、炭素たんそ繊維せんい、ケブラー等ひとし）
• セラミックス
• 紙かみ
• 合成ごうせい樹脂じゅし
• 液晶えきしょう高分子こうぶんし

参考さんこう文献ぶんけん

• 末すえ益えき博志ひろし「複ふく合あい材料ざいりょうの力学りきがくと破壊はかいについて」（PDF）『強化きょうかプラスチックス』第だい53巻かん第だい12号ごう、強化きょうかプラスチック協会きょうかい、2007年ねん12月、NAID 40015769265。 
• 三木みき, 光範みつのり、福田ふくだ, 武人ぶじん、元木もとき, 信弥しんや、北條ほうじょう, 正樹まさき『複ふく合あい材料ざいりょう』共立きょうりつ出版しゅっぱん〈機械きかいシステム入門にゅうもんシリーズ〉、1997年ねん5月がつ。ISBN 4320080823。 

関連かんれん項目こうもく

• 傾斜けいしゃ機能きのう材料ざいりょう