ポテンシャルの高い7つの複合材料が明らかに

私たちは急速な変化の時代に生きており、技術の進歩が急速に景色を変えている。新素材技術の革新のペースは加速している。

単一素材では人類の多様な要求性能を満たせないことが多く、複合素材へのシフトは避けられない傾向となっている。

このような環境の中で、複合材料は、持続可能性、低カーボンフットプリント、高性能、リサイクル性といった環境に優しい特性を重視するようになり、爆発的な市場成長を遂げた。

では、業界の専門家が最も開発の可能性があると考える素材はどれだろうか？今日は、大きな可能性を秘めた7つの複合材料を探ってみよう。

1.高性能炭素繊維とその複合材料

軽さの王様」と呼ばれる炭素繊維は、鋼鉄の4分の1以下の密度を誇りながら、5～7倍の強度を持つ。また、耐高温性、耐摩擦性、熱伝導性、耐腐食性など、望ましい性質も備えている。

炭素繊維の主な役割は、樹脂、金属、セラミック、カーボンなどとの複合材料の補強材として、先端材料を作ることである。

特に炭素繊維強化エポキシ複合材料は、現在のエンジニアリング材料の中で最も高い比強度と比弾性率を持つ。

炭素繊維の直径はわずか5ミクロンで、人間の髪の毛の幅の10分の1から12分の1ほどである。 アルミニウム合金 倍以上の差がある。

アルミニウム合金構造と比較すると、炭素繊維複合材料は20%から40%の軽量化を達成することができ、スチール金属部品と比較すると、60%から80%という驚異的な軽量化を達成することができる。

2.高性能パラ系アラミド繊維とその複合材料

パラ系アラミド繊維は極めて重要な戦略素材であり、強度は鋼線の5～6倍、比弾性率は鋼やガラス繊維の2～3倍である。その靭性は鋼鉄の2倍である一方、重量は約5分の1しかない。

荷重を支える構造材料としても、耐熱性、耐アブレーション性、耐食性などの機能材料としても使用できる。

高弾性率、高強度、高温耐性、耐酸性、耐アルカリ性、軽量性で知られる世界最大級の生産量を誇る有機繊維である。

高性能パラ系アラミド繊維とその複合材料の主な用途は、繊維強化、自動車産業、航空宇宙、電気機器、鉄道輸送、軍事保護、スポーツ用品、新エネルギー分野などである。

近年、中国のパラ系アラミド繊維の研究開発は、数々の技術的障壁を克服し、大きなブレークスルーを達成している。

3.超高分子量ポリエチレン繊維とその複合材料

超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）繊維は、炭素繊維、アラミド繊維とともに世界三大ハイテク繊維として知られている。分子量100万から500万のポリエチレンから紡糸される、比強度・弾性率が最も高い繊維である。

軽量、高強度、優れたエネルギー吸収性により、UHMWPE繊維は徐々にアラミド繊維に取って代わり、個人用防弾具として選ばれるようになってきている。

4.炭素/炭素複合材料

炭素繊維と織物で強化された炭素マトリックス複合材料である炭素/炭素複合材料は、軽量、優れた耐アブレーション性、良好な耐熱衝撃性、高温強度、強力な設計性などの卓越した特性を誇っています。将来的に最も有望な高温材料の一つと考えられている。

そのユニークな特性により、炭素／炭素複合材料は、航空宇宙、自動車産業、医療などの分野で幅広く応用されている。

例えば、ロケットエンジンのノズルやスロートライニング、宇宙船のノーズキャップや翼の前縁の熱保護システム、航空機のブレーキディスクなどである。

5.バサルト繊維強化複合材料

バサルト繊維は高い耐久性を示す 強度と剛性高温や腐食に強く、軽量である。

他の複合材料に比べ、生分解性、無毒性、環境に優しいなどの利点があり、21世紀の「グリーン産業材料」と呼ばれている。航空宇宙、軍事、道路交通の分野で重要な応用価値を有している。

6.カーボン/セラミック複合材料

カーボン／セラミック複合材料は、高性能セラミックの高強度、高弾性率、高硬度、耐衝撃性、耐酸化性、高温耐性、耐アルカリ性、低熱膨張係数、低密度を兼ね備えている。

1650℃まで耐えられる新しいタイプの高温構造・機能材料である。

さらに、これらの複合材料は、一般的なセラミック材料に典型的な脆性と制限された機能性を克服しており、理想的な高温構造材料および摩擦材料として広く認知されている。

カーボン／セラミック複合材料は、航空宇宙、防衛、エネルギー、自動車、高速鉄道産業で広く使用されている。最新世代の航空機や自動車用ブレーキシステムにおいて、最も理想的な高温構造・摩擦材料として認められており、現在のブレーキ材料における最高峰の性能とも考えられている。

7.金属基複合材料

金属マトリックス複合材料は、金属とその合金をマトリックスとし、1つ以上の金属または非金属の強化相と人工的に結合させたものである。現代の複合材料の重要な一分野である。

これらの複合材料は、高い横方向強度とせん断強度によって機械的に特徴付けられ、靭性や耐疲労性などの優れた総合的な機械的特性を有している。

さらに、熱伝導性、電気伝導性、耐摩耗性、低熱膨張係数、良好な減衰特性、耐湿性、非老化性、無公害性などの利点がある。

その卓越した性能により、航空宇宙、自動車、電子機器、機械製造業など幅広い用途に使用されている。