複合材料および複合材料の製造

簡単に定義すると、COMPOSITES または COMPOSITE MATERIALS は、異なる物理的または化学的特性を持つ 2 つまたは複数の材料からなる材料ですが、組み合わせると構成材料とは異なる材料になります。構成材料は、構造内で分離されたままであることを指摘する必要があります。複合材料の製造における目標は、その構成要素よりも優れており、各構成要素の望ましい機能を組み合わせた製品を得ることです。例として;強度、軽量、または低価格が、複合材料の設計と製造の動機となる可能性があります。当社が提供する複合材のタイプは、粒子強化複合材、セラミックマトリックス/ポリマーマトリックス/金属マトリックス/カーボン-カーボン/ハイブリッド複合材を含む繊維強化複合材、構造および積層およびサンドイッチ構造複合材およびナノ複合材です。

 

当社が複合材料製造に採用している製造技術は、引抜成形、プリプレグ製造プロセス、高度な繊維配置、フィラメントワインディング、テーラード繊維配置、グラスファイバー スプレー レイアップ プロセス、タフティング、ランキシド プロセス、Z ピンニングです。
多くの複合材料は 2 つの相で構成されています。マトリックスは連続しており、もう一方の相を取り囲んでいます。そして、マトリックスに囲まれた分散相。
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これは、以下で提供する情報をよりよく理解するのに役立ちます. 

 

• 粒子強化複合材料 : このカテゴリは、大粒子複合材料と分散強化複合材料の 2 つのタイプで構成されます。前者のタイプでは、粒子とマトリックスの相互作用を原子レベルまたは分子レベルで扱うことができません。代わりに、連続体の力学が有効です。一方、分散強化された複合材料では、粒子は一般に数十ナノメートルの範囲ではるかに小さくなります。大粒子複合体の例は、フィラーが添加されたポリマーです。フィラーは材料の特性を改善し、ポリマー体積の一部をより経済的な材料に置き換えることができます。 2 つの相の体積分率は、複合材料の挙動に影響を与えます。大粒子複合材は、金属、ポリマー、セラミックスに使用されます。 CERMETS は、セラミック/金属複合材料の例です。当社の最も一般的なサーメットは超硬合金です。これは、コバルトやニッケルなどの金属のマトリックスに含まれる炭化タングステン粒子などの耐火性炭化物セラミックで構成されています。これらの超硬複合材料は、焼入れ鋼の切削工具として広く使用されています。硬質炭化物粒子が切削作用を担い、その靭性は延性金属マトリックスによって強化されます。したがって、単一の複合材料で両方の材料の利点を得ることができます。当社が使用する大粒子複合材のもう 1 つの一般的な例は、加硫ゴムと混合されたカーボン ブラック微粒子で、高い引張強度、靭性、引き裂き抵抗、および耐摩耗性を備えた複合材が得られます。分散強化複合材料の例は、非常に硬く不活性な材料の微粒子の均一な分散によって強化および硬化された金属および金属合金です。非常に小さな酸化アルミニウムフレークをアルミニウム金属マトリックスに加えると、高温強度が強化された焼結アルミニウム粉末が得られます. 

 

• FIBER-REINFORCED COMPOSITES : このカテゴリーの複合材は、実際には最も重要です。達成する目標は、単位重量あたりの高い強度と剛性です。これらの複合材料の繊維組成、長さ、方向、および濃度は、これらの材料の特性と有用性を決定する上で重要です。私たちが使用する繊維には、ウィスカー、ファイバー、ワイヤーの 3 つのグループがあります。 WHISKERSは非常に細くて長い単結晶です。それらは最も強い材料の1つです。ウィスカー材料の例としては、グラファイト、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどがあります。一方、 FIBERS は、ほとんどがポリマーまたはセラミックであり、多結晶またはアモルファス状態です。 3 番目のグループは、直径が比較的大きく、多くの場合、鋼またはタングステンで構成される細線です。ワイヤー強化複合材料の例は、ゴムの中に鋼線を組み込んだ自動車のタイヤです。マトリックス材料に応じて、次の複合材があります。
POLYMER-MATRIX COMPOSITES : これらはポリマー樹脂と繊維を強化成分として使用しています。ガラス繊維強化ポリマー (GFRP) 複合材料と呼ばれるこれらのサブグループには、ポリマーマトリックス内に連続または不連続のガラス繊維が含まれています。ガラスは強度が高く、経済的で、繊維に加工しやすく、化学的に不活性です。不利な点は、剛性と剛性が限られていること、使用温度が摂氏 200 ～ 300 度までしかないことです。ガラス繊維は、自動車の車体や輸送機器、船舶の車体、貯蔵容器に適しています。剛性が限られているため、航空宇宙や橋梁の製作には適していません。もう 1 つのサブグループは、炭素繊維強化ポリマー (CFRP) 複合材と呼ばれます。ここで、炭素はポリマーマトリックスの繊維材料です。カーボンは、その高い比弾性率と強度、およびこれらを高温で維持する能力で知られています。炭素繊維は、標準、中間、高、超高の引張弾性率を提供できます。さらに、炭素繊維は多様な物理的および機械的特性を提供するため、さまざまなカスタム調整されたエンジニアリング用途に適しています。 CFRP 複合材料は、スポーツおよびレクリエーション機器、圧力容器、および航空宇宙構造部品の製造に使用できると考えられます。さらに、別のサブグループであるアラミド繊維強化ポリマー複合材も、高強度および弾性率の材料です。強度と重量の比率は非常に高いです。アラミド繊維は、KEVLAR および NOMEX という商品名でも知られています。張力がかかると、他の高分子繊維材料よりも優れた性能を発揮しますが、圧縮には弱いです。アラミド繊維は強靭で、耐衝撃性、耐クリープ性、耐疲労性があり、高温でも安定しており、強酸や強塩基以外では化学的に不活性です。アラミド繊維は、スポーツ用品、防弾チョッキ、タイヤ、ロープ、光ファイバー ケーブル シートに広く使用されています。他の繊維強化材料も存在しますが、あまり使用されていません。これらは主にホウ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムです。一方、ポリマーマトリックス材料も重要です。ポリマーは一般に溶融温度と分解温度が低いため、複合材料の最大使用温度が決まります。ポリエステルとビニルエステルは、ポリマーマトリックスとして広く使用されています。樹脂も使用されており、耐湿性や機械的性質に優れています。たとえば、ポリイミド樹脂は摂氏約 230 度まで使用できます。 
METAL-MATRIX COMPOSITES : これらの材料では、延性のある金属マトリックスを使用しており、使用温度は一般に構成部品よりも高くなっています。ポリマーマトリックス複合材料と比較すると、これらは動作温度が高く、不燃性であり、有機流体に対する耐分解性が優れている可能性があります。ただし、それらはより高価です。ウィスカー、微粒子、連続および不連続繊維などの補強材。銅、アルミニウム、マグネシウム、チタン、超合金などのマトリックス材料が一般的に使用されています。適用例は、酸化アルミニウムと炭素繊維で強化されたアルミニウム合金マトリックスで作られたエンジン コンポーネントです。 
CERAMIC-MATRIX COMPOSITES : セラミック材料は、優れた高温信頼性で知られています。しかし、それらは非常にもろく、破壊靭性の値が低くなります。あるセラミックの粒子、繊維、またはウィスカーを別のセラミックのマトリックスに埋め込むことにより、より高い破壊靭性を備えた複合材料を実現できます。これらの埋め込まれた材料は、基本的に、亀裂先端のたわみや亀裂面を横切るブリッジの形成などのメカニズムによって、マトリックス内の亀裂の伝播を抑制します。一例として、SiCウィスカーで強化されたアルミナは、超硬合金を機械加工するための切削工具インサートとして使用されます。これらは、超硬合金と比較して優れた性能を発揮します。  
CARBON-CARBON COMPOSITES : 強化材とマトリックスの両方がカーボンです。それらは、摂氏2000度を超える高温での高い引張弾性率と強度、耐クリープ性、高い破壊靭性、低い熱膨張係数、高い熱伝導率を備えています。これらの特性により、耐熱衝撃性が必要な用途に最適です。ただし、炭素-炭素複合材の弱点は、高温での酸化に対する脆弱性です。典型的な使用例は、金型のホットプレス、高度なタービン エンジン コンポーネントの製造です。 
HYBRID COMPOSITES : 2 つ以上の異なるタイプの繊維が 1 つのマトリックスに混合されています。したがって、特性を組み合わせて新しい材料を調整することができます。一例は、炭素繊維とガラス繊維の両方がポリマー樹脂に組み込まれている場合です。炭素繊維は低密度の剛性と強度を提供しますが、高価です。一方、ガラスは安価ですが、炭素繊維の剛性に欠けています。ガラスと炭素のハイブリッド複合材は、より強力で頑丈であり、低コストで製造できます。
繊維強化複合材料の処理 : 繊維が均一に分布し、同じ方向に配向している連続繊維強化プラスチックの場合、次の技術を使用します。
PULTRUSION: 連続した長さと一定の断面のロッド、ビーム、チューブが製造されます。連続繊維ロービングに熱硬化性樹脂を含浸させ、鋼の金型を通して引き抜き、目的の形状に予備成形します。次に、精密機械加工された硬化型を通過して最終的な形状になります。硬化ダイは加熱されるため、樹脂マトリックスが硬化します。プラーは、ダイを通して材料を引き出します。挿入された中空コアを使用して、チューブと中空形状を得ることができます。引抜成形法は自動化されており、高い生産率を実現しています。任意の長さの製品を製造できます. 
プリプレグの製造プロセス : プリプレグは、部分的に硬化したポリマー樹脂をあらかじめ含浸させた連続繊維補強材です。構造用途に広く使用されています。材料はテープの形で提供され、テープとして出荷されます。メーカーが直接成形し、樹脂を追加する必要なく完全に硬化させます。プリプレグは室温で硬化反応を起こすため、0℃以下で保管します。使用後、残りのテープは低温で保管されます。熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂が使用され、カーボン、アラミド、ガラスの強化繊維が一般的です。プリプレグを使用するには、最初にキャリアの裏紙をはがし、次に加工した表面にプリプレグ テープを敷くことによって製造を行います (レイアップ プロセス)。所望の厚さを得るために、いくつかの層を積層することができる。頻繁に行われるのは、クロスプライまたはアングルプライのラミネートを製造するために、繊維の配向を交互にすることです。最後に熱と圧力を加えて硬化させます。プリプレグとレイアップの切断には、手動処理と自動化プロセスの両方が使用されます。
FILAMENT WINDING : 連続強化繊維は、中空 および通常は円筒形状に従うように、所定のパターンで正確に配置されます。繊維はまず樹脂槽を通過し、自動システムによってマンドレルに巻き取られます。数回の巻き取りを繰り返した後、所望の厚さが得られ、硬化は室温またはオーブン内で行われます。ここでマンドレルが取り外され、製品が脱型されます。フィラメントワインディングは、繊維を円周状、らせん状、および極性パターンで巻くことにより、非常に高い強度対重量比を提供できます。パイプ、タンク、ケーシングは、この技術を使用して製造されています. 

 

• 構造複合材 : 一般に、これらは均質材料と複合材料の両方で構成されています。したがって、これらの特性は、その要素の構成材料と幾何学的設計によって決定されます。主な種類は次のとおりです。
LAMINAR COMPOSITES : これらの構造材料は、高強度の優先方向を持つ 2 次元のシートまたはパネルでできています。層が積み重ねられ、接合されます。直交する 2 軸の高強度方向を交互にすることで、2 次元平面内の両方向に高強度の複合体が得られます。層の角度を調整することにより、好ましい方向に強度を持つ複合材を製造することができます。現代のスキーはこの方法で製造されています. 
サンドイッチ パネル: これらの構造用複合材料は軽量ですが、高い剛性と強度を備えています。サンドイッチ パネルは、アルミニウム合金、繊維強化プラスチック、スチールなどの硬くて強い材料で作られた 2 枚の外側シートと、外側シート間のコアで構成されています。コアは軽量である必要があり、ほとんどの場合、弾性係数は低くなります。人気のあるコア素材は、硬質ポリマーフォーム、木材、ハニカムです。サンドイッチ パネルは、建設業界で屋根材、床材、壁材として広く使用されており、航空宇宙産業でも使用されています。  

 

• NANOCOMPOSITES : これらの新しい材料は、マトリックスに埋め込まれたナノサイズの粒子で構成されています。ナノコンポジットを使用すると、ゴムの特性を維持しながら、空気の浸透を非常によく遮断するゴム材料を製造できます.