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ファイバー複合材

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  • 業種別パンフレット:複合材料 PDF 7 MB

複合材の概略

複合材は2つ以上の材料の組合せから構成されています。材料を組み合わせることで、重量を最小限に抑えながら特定の方向の剛性や強度などの非常に特殊な材料特性が得られるため、新しい用途の開発が可能になります。 

複合材は多くの製品に使われています。エアバス A380およびA350、あるいはボーイング787などの航空機は、民間航空機における代表的な例であり、そこでは高い割合の炭素繊維複合材料が使用されています。BMWのI3やI8などの自動車は完全にGFRP材からシャシーが作られています。大変軽く2人で持てるほど軽量です。レーシングカーはかなり以前からファイバーコンポジットを使用してきました。大型風力タービンのブレードはさまざまな複合材料で作られています。一方向繊維複合材料は遠心力を吸収し、外側は多方向繊維複合材料で作られ、全体的な構造はサンドイッチ構造になっています。複合材料は医療工学、例えばプロテーゼ、建築分野では橋梁用の多面的材料として、そしてファサード工学においても使用されています。

複合材料では、繊維はマトリックス(母材)として知られる複合材料の成分に埋め込まれています。これにより繊維マトリックスシステムを構成しています。繊維は、1つまたはいくつかの決められた方向に配置されています。

積層体(ラミネート)は、他のものの上に層をかぶせる事により構成されています。3つの層があり、そのうちの2つが同一の外層である材料はサンドイッチ化合物として知られている。 

サンドイッチは軽量構造で使用されています。2つの外層の間に位置するコアは、発泡プラスチックまたはハニカム構造で作ることができます。後者はハニカム化合物として知られています。

複合材の定義

様々な複合材が以下のアプリケーションとして使用されています

  • ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)
  • 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)
  • アラミド繊維強化プラスチック(AFRP)
  • 天然繊維強化プラスチック(NFRP)

繊維複合材料は、フィラメントまたは短繊維、例えばロービング布などの繊維からなり、マトリックスとして、接着強度を確実にしています。

特性値は、繊維およびマトリックス材料の選択と共に、織物中の繊維の配向によって基本的に決まります。試験分野では、一方向ラミネートと多方向ラミネートとで区別されています。 

材料試験では通常、規格において決められた試験片に対して個別に設定荷重が決まってきます。特性値は繊維方向に大きく依存するため、さまざまな荷重タイプは異なる試験片サンプリングで、たとえば繊維方向に対して平行または垂直に加えられます。

国際規格(ISO)に加えて、これらの試験はさまざまな国内規格および地域規格(ASTM、EN、およびDIN)、および会社の規格(Airbus AITM、およびBoeing BSS)に記載されています。これにより、約20の一般的な試験方法を記載した170以上の規格がその対象とされています。

コンポーネント、構造セクション、および完成した構造物の試験には、実際のアプリケーションで発生する負荷を反映した負荷をかけていきます。強度、エネルギー消費(衝突)、材料の疲労、および耐用年数の評価が焦点となります。

繊維の方向性とせん断感度のため、試験荷重は意図した方向に正確に加えなければなりません。軸方向の誤差はミスアラインメントとして説明され、厳しい制限を受けます。ミスアラインメントを測定するために、ツビックローエルは試験片の形状と寸法に対応する特別な測定装置を提供しています。試験機の試験軸は、機械式アラインメント治具で調整されています。

複合材のモジュール試験システム

多くの試験をこなさなければならない大規模な試験ラボは、個々の試験方法に対して異なる試験装置保有し、冶具の段取り換え等にかかる時間とコストを最小限に抑えています。標準化された試験方法は、以下の荷重レンジで分ける事ができます: 

  • 1 kNまでの荷重:曲げ試験、エネルギー解放率、単一フィラメントの引張試験
  • 10 kNまでの荷重:IPS、ILSS、Vノッチなどのせん断試験、フィラメントストランドの引張試験、UD 90°引張試験、厚さ方向の引張試験
  • 100 kNまでの荷重:UD 0°引張試験、より小さいラミネート厚さのMD引張試験、ISO、ASTMおよびEN規格に対応した圧縮試験、ノッチ圧縮試験、ベアリングプレッシャー試験
  • 100 kNを超える荷重:相応のラミネート厚さを伴うエアバス規格での引張および圧縮試験、衝撃後の圧縮

複数の試験機への投資が意味をなすほど試験数が多くない、あるいは同じ試験試験を相当数行わない等の場合、代替の選択肢は1の試験機を装備し、最短の労力で冶具の段取り換えなどを行い、多くの試験メッソドに対応する事です。

ツビックローエルは、このようなニーズに応えるために、電気機械式およびサーボ油圧式試験機用のモジュール式試験機コンセプトを開発しました。このモジュール式システムの利点は明らかです:すべての冶具とツール、伸び計、ソフトウェア、保護パネル、そして恒温槽はモジュール式で、一緒に動作するように設計されています。さらに、このシステムは、すべてのコンポーネントを後付けすることができるため、将来的な拡張性にも対応しています。

複合材試験のアプリケーションの例

引張試験

単一フィラメント、フィラメントストランド、一方向および多方向ラミネート、およびボルト付きラミネートのノッチ引張試験および引張試験。
行先 引張試験

圧縮試験とノッチ圧縮試験 (OHC、FHC)

異なる繊維マトリックスからなる複合材料向け
行先 圧縮試験とノッチ圧縮試験 (OHC、FHC)

曲げ試験

曲げ試験(3点、4点曲げ試験)は重要な機械的特性値を測定するために実施されます。
行先 曲げ試験

アライメント

複合材料の試験は、試験軸に対する極めて正確なアラインメントを必要とします。
行先 アライメント

積層間せん断強さ ILSS

層間せん断強度は、通常、ショートビームせん断試験を用いて測定されます。
行先 積層間せん断強さ ILSS

オーバーラップせん断

せん断試験は積層間の接着強度の比較のために行われます。
行先 オーバーラップせん断

面内せん断(IPS)

繊維方向に対して±45°で引張試験または圧縮試験を実施することによって行う事ができます。
行先 面内せん断(IPS)

V-ノッチせん断試験

面内せん断特性値を測定するために主に行われます。
行先 V-ノッチせん断試験

エネルギー解放率(G)

エネルギー解放率は破壊力学特性値に属し、モードIとモードIIが測定対象となります。
行先 エネルギー解放率(G)

動的繰返し試験メソッド

特に医療工学において、試験片、構造要素、および部品の耐久性を測定するために使用されます。
行先 動的繰返し試験メソッド

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