先進複合材料ハンドアウト（I）：積層材、繊維の種類と用途
Lアミノ化構造
複合材料は、特定の構造特性を実現するために混合された材料の組み合わせで構成されています。個々の材料は複合材料に完全に溶解または融合することはありませんが、全体として一緒に機能します。多くの場合、コンポーネント間のインターフェイスは物理的に認識できます。複合材料の特性は、それを構成する個々の材料の特性よりも優れています。
高度な複合材料は、樹脂マトリックスに溶解された繊維材料で作られており、通常は交互に配向された繊維が積層されて、材料に強度と剛性を与えます。繊維材料は一般的ではありません。木材は、人類が知る最も一般的な繊維構造材料です。
航空機における複合材の用途には以下が含まれる。
-デフレクター
-飛行制御面
-着陸装置ドア
-主翼と安定板の前縁と後縁パネル
-内部コンポーネント
-床梁と床パネル
-大型航空機の垂直安定板および水平安定板の主要構造
-新世代大型飛行機の主翼と胴体構造
-タービンエンジンのファンブレード
-プロペラ
ラミネートの主な構成
等方性材料は、すべての方向で均一な特性（同じ材料の等方性特性）を持ちます。等方性材料の測定特性は、テスト軸に依存しません。等方性材料の図解には、金属材料であるアルミニウムとチタンを例として使用します。
繊維は複合材料の主な耐荷重要素です。複合材料は繊維の方向にのみ強度と剛性を持ちます。一方向複合材料は主に一方向に機械的特性を持ち、異方性と呼ばれます。異方性では、機械的または物理的特性が材料に固有の自然基準軸の方向と異なります。繊維強化複合材料で作られた部品は、繊維の方向が最高の機械的特性を生み出すように設計できますが、アルミニウムやチタンなどの金属の真の等方性特性に近づくことしかできません。
複合マトリックスは繊維を支え、複合材内で繊維を結合します。マトリックスは、加えられた荷重を繊維に伝達し、繊維を所定の位置と方向に維持し、複合材の環境耐性を与え、複合材の最大使用温度を決定します。
プロパティ
複合積層板の構造特性、たとえば剛性、寸法安定性、強度などは、積層板の積層順序に依存します。積層順序は、積層板の厚さにおける積層方向の分布を表します。選択された方向を持つ層の数が増えると、より多くの積層順序が可能になります。たとえば、4 つの異なる積層方向を持つ対称的な 8 層の積層板には、24 の異なる積層順序があります。
繊維方向
複合材の強度と剛性は、層の配向順序に依存します。炭素繊維の実際の強度と剛性は、ガラス繊維によって提供されるような低い値から高い値、チタン繊維によって提供される高い強度と剛性までの範囲です。この値の範囲は、適用される荷重に対する積層体の配向によって決まります。高度な複合材では、構造の効率的な設計を提供するために、レイアップ配向を適切に選択する必要があります。部品には、0 度の層反応軸方向荷重、±45 度の層反応せん断荷重、および 90 度の層反応側面荷重が必要になる場合があります。強度設計要件は適用される荷重の方向の関数であるため、層の配向と層の順序は正確でなければなりません。修復プロセスでは、損傷した各層を同じ材料と配向の層に置き換えることが重要です。
モノリシック材料の繊維は一方向に移動し、強度と剛性は繊維の方向にのみ存在します。プリプレグ (プリプレグ フィルム) テープは、一方向レイアップ配向の例です。
双方向材料の繊維は、通常 90 度離れた 2 つの方向に流れます。プレーン構造は双方向レイアップ方向の例です。これらのレイアップ方向は両方向に強度がありますが、必ずしも同じ強度であるとは限りません。図 1 に示すように
準等方性レイアップには、0 度、-45 度、45 度、90 度、または 0 度、-60 度、60 度の層シーケンスがあります。これらのタイプの層の方向は、図 2 に示すように、等方性材料の特性をシミュレートします。多くの航空宇宙複合構造は、準等方性材料で作られています。
図1: 双方向および一方向舗装材の特性
図2: 対称等方性材料のレイアップ
WARP 方向
経糸方向とは、生地の縦方向の繊維を指します。繊維は真っ直ぐなので、経糸方向は強度の高い方向です。経糸方向は、チャート、仕様書、またはメーカーのシートで繊維の方向を説明するために使用されます。生地に経糸方向がない場合、生地がロールから出てくるときに経糸方向はデフォルトでゼロになります。したがって、90 度からゼロが生地の幅です。図 3 に示すように
図3: ツイストロック
Fiber 構成
すべての製品形態は、通常、連続したストランドに詰め込まれた一方向の原繊維ラインから始まります。個々の繊維はフィラメントと呼ばれます。「スレッド」という用語は、個々のガラス繊維を表すためにも使用されます。束ねられたフィラメントは、紡績糸、糸、またはロービングに分類できます。グラスファイバー糸は撚られていますが、ケブラー® 糸は撚られていません。フィラメント束とロービングには撚りがありません。ほとんどの繊維は乾燥繊維であり、使用前に樹脂を含浸させる (事前含浸) か、樹脂がすでに繊維に塗布されている事前含浸材料を使用する必要があります。
粗い繊維（糸束）
ロービングとは、20- または 60- エンドのガラス ロービングなどのフィラメントまたは繊維の端の集まりです。すべてのフィラメントは同じ方向に向いており、ねじれていません。カーボン ファイバー ロービングは通常、3K、6K、または 12K ロービングとして識別され、K は 1000 フィラメントを表します。ほとんどのロービング製品アプリケーションでは、ファイバーを巻き取るためにマンドレルを使用し、その後樹脂を硬化させて最終構成にします。
一方向（あり）
一方向プリプレグテープは、長年航空宇宙産業の標準であり、繊維は通常、熱硬化性樹脂で含浸されています。最も一般的な準備方法は、コリメートされた生の（乾燥した）ストランドを含浸機に引き込み、そこでホットメルト樹脂を熱と圧力でストランドに結合させるというものです。テープ製品は、繊維の方向に高い強度を持ち、繊維自体にはほとんど強度がありません。繊維は樹脂によって固定されています。テープは織物よりも強度があります。図4に示すように、
図4: テープおよび布製品
ファブリック
複雑な形状の積層の場合、ほとんどの布地構造は、直線の一方向テープよりも柔軟性があります。布地には、溶液またはホットメルトプロセスで樹脂を含浸させるオプションがあります。通常、構造用途の布地には、縦糸 (長手方向) と横糸 (横方向) の両方向で同じ重量または降伏の繊維またはストランドが使用されます。航空宇宙構造の場合、密に織られた布地は、重量を節約する選択肢となることが多く、樹脂の空隙のサイズを小さくし、製造中に繊維の方向を維持します。
織物の構造は通常、織りの過程で織り合わされる強化された束、ストランド、または糸で構成されています。より一般的な織物のスタイルは、平織りまたはサテン織りです。平織りの構造は、交差するストランド (束、房、または糸) の上下に繊維を交互に配置することで形成されます。5- または 8- 束などの一般的なサテン織りのスタイルでは、繊維ストランドは経糸方向と緯糸方向にそれほど頻繁に前後に動きません。
これらのサテン生地は、平織り生地よりも縮みが少なく、変形しやすいです。平織りやほとんどの 5 束または 8 束の生地では、経糸と緯糸の方向に同数の繊維ストランドがあります。たとえば、3K 平織りには通常、12 x 12 などの追加の名前が付けられています。これは、各方向に 1 インチあたり 12 本のトウがあることを意味します。このカウント指定は、生地の重量を増減したり、異なる重量の異なる繊維に対応したりするために変更できます。図 5 に示すように
図5: 典型的な織物の織り方
不織布（織物または縫製物）
織物や縫製された布は、一方向テープの機械的利点の多くを提供できます。繊維の配置は、織物のような上下の曲がりがなく、直線または一方向です。乾式壁の 1 層または複数層の繊維をあらかじめ選択した方向で縫い合わせた後、繊維を所定の位置に保持するために細い糸または糸で縫い合わせます。これらのタイプの布は、さまざまな多層方向を提供します。重量が多少増加したり、最終的な強化繊維の特性が一部失われたりする場合もありますが、層間せん断特性と強度特性がいくらか向上する可能性があります。一般的な縫製糸には、ポリエステル、アラミド、熱可塑性があります。図 6 に示すように、
図6: 不織布（ステッチ）
繊維の種類
Gラスファイバー
グラスファイバーは、フェアリング、レドーム、翼端など、航空機の二次構造によく使用されます。ガラス繊維は、ヘリコプターのローターブレードにも使用されます。航空宇宙産業で使用されるガラス繊維には、いくつかの種類があります。電子ガラス繊維、つまり E ガラスは、このような電子用途で知られています。電流に対する耐性が高く、E ガラスはホウケイ酸ガラス繊維から作られています。S ガラスと S2- ガラスは、E ガラスよりも強度の高い構造用ガラス繊維です。S ガラス繊維は、マグネシウム - アルミニウム ケイ酸塩から作られています。ガラス繊維の利点は、他の複合材料よりもコストが低いこと、化学的または電気的耐性、および電気的特性 (ガラス繊維は電気を通さない) です。ガラス繊維は白色で、ドライファイバーファブリックまたはプリプレグとして使用できます。
Aラミド繊維
ケブラーとは、デュポン社のアラミド繊維の名称です。アラミド繊維は軽量で、強くて丈夫です。航空宇宙産業では 2 種類のアラミド繊維が使用されています。ケブラー® 49 は剛性が高く、ケブラー® 29 は剛性が低いです。アラミド繊維の利点は、衝撃による損傷に非常に強いため、衝撃による損傷を受けやすい場所でよく使用されることです。アラミド繊維の主な欠点は、圧縮性と吸湿性が全般的に低いことです。サービス レポートによると、ケブラー® 製の部品の中には、重量の最大 8% の水分を吸収するものもあります。したがって、アラミド繊維製の部品は環境から保護する必要があります。もう 1 つの欠点は、ケブラー繊維は穴を開けたり切断したりするのが困難なことです。繊維は糸くずが出やすいため、切断には特殊なハサミが必要です。
ケブラーは、軍の防弾およびボディーアーマー用途でよく使用されています。自然な黄色をしており、ドライファブリックとプリプレグとして入手できます。アラミド繊維束のサイズは、カーボン繊維やガラス繊維のように繊維の数ではなく、重量によって決まります。
カーボン/グラファイト繊維
この繊維の最初の違いは、カーボン繊維とグラファイト繊維の違いですが、これらの用語はしばしば同じ意味で使用されます。カーボン繊維とグラファイト繊維は、カーボン内の単一のグラファイト (六角形) 層のネットワークに基づいています。単一のグラファイト層または平面が 3 次元の順序で積み重ねられている場合、その材料はグラファイトとして定義されます。この順序を形成するには通常、長時間および高温の処理が必要であり、グラファイト繊維はより高価になります。平面間の結合は弱いです。層に 2 次元の順序のみが存在するような無秩序が頻繁に発生します。この材料はカーボン繊維として定義されます。
カーボンファイバーは非常に強靭で、ガラスファイバーの 3 ～ 10 倍の剛性があります。カーボンファイバーは、ボトムビーム、スタビライザー、飛行制御装置、主胴体および主翼構造などの航空機構造用途に使用されます。利点には、高強度と耐腐食性があります。欠点には、アルミニウムよりも電気伝導性が低いことがあり、そのため、落雷の影響を受けやすい航空機部品には、避雷グリッドまたは耐雷コーティングを設置する必要があります。カーボンファイバーのもう 1 つの欠点は、コストが高いことです。カーボンファイバーは灰色または黒色で、ドライファブリックとプリプレグとして入手できます。カーボンファイバーは、金属ファスナーや構造物に使用すると、ガルバニックカップリング腐食を引き起こす可能性が高くなります。
図7: ガラス繊維（左）、アラミド繊維（中央）、炭素繊維材料（右）
Bオロンファイバー
ホウ素繊維は非常に硬く、引張強度と圧縮強度に優れています。繊維の直径は比較的大きく、曲がりにくいため、プリプレグ テープ製品としてのみ使用できます。エポキシ樹脂マトリックスは、ホウ素繊維とともによく使用されます。ホウ素繊維は、ホウ素の熱膨張がアルミニウムの熱膨張に近く、ガルバニック カップリング腐食の可能性がないため、ひびの入ったアルミニウム航空機ケーシングの修復に使用されます。ホウ素繊維は、基材の表面が輪郭形状になっている場合、使用が困難です。ホウ素繊維は非常に高価で、人体に危険を及ぼす可能性があります。ホウ素繊維は主に軍用航空機で使用されます。
Cエラミック繊維
セラミック繊維は、ガスタービンエンジンのタービンブレードなどの高温用途に使用されます。セラミック繊維は、最高 2200 度 F までの温度で使用できます。
L避雷繊維
アルミニウムプレーンは導電性が非常に高く、落雷による高電流を消散させることができます。カーボンファイバーはアルミニウムよりも 1,000 倍の電流耐性があり、エポキシ樹脂は 1,000,000 倍の耐性があります (つまり、皮膚に対して垂直)。複合材はアルミニウムよりも導電性が低いため、外部複合部品の表面は通常、雷保護用の導電性材料の層で構成されています。ニッケルメッキのグラファイト布から金属メッシュ、アルミニウムコーティングされたガラス繊維、導電性コーティングまで、さまざまなタイプの導電性材料が使用されています。この材料は、ウェットレイアップ層またはプリプレグとして使用できます。
通常の構造修理に加えて、技術者はコンポーネントの導電性に合わせて設計をやり直す必要があります。これらのタイプの修理では、構造全体の最小抵抗を確認するために抵抗計による導電性テストが必要になることがよくあります。これらのタイプの構造を修理するときは、ポッティングコンパウンド、シーラント、接着剤など、認定されたサプライヤーからの承認済み材料のみを使用することが非常に重要です。図8と9に示すように
図8：銅メッシュ避雷材
図9：アルミメッシュ避雷材