はじめに
繊維とポリマーマトリックスの特性を組み合わせた繊維強化複合材料は、何十年も前から存在している。繊維-マトリックス複合材料は、より硬く、優れた強度対重量性能を持ち、金属と比較して密度がはるかに低い。これは、燃費の向上や電気自動車の航続距離の延長のために軽量化が重要であるモビリティ分野、特に自動車産業向けの部品に関しては、非常に望ましい特性である。自動車産業で高い関心を集めている繊維マトリックス複合材料のもう一つの利点は、耐腐食性である。ガラス繊維で強化された熱可塑性マトリックス複合材料は、炭素繊維で強化された複合材料よりも密度が高く、弾性率が低いが、コストははるかに低く、これは自動車産業にとって重要な要素である。ポリプロピレン（PP）は、非強化材料としてだけでなく、短繊維や連続繊維を強化した材料としても、その優れた機械的特性、成形加工性、低コストにより、自動車部品に広く使用されている。用途としては、ケーシンやコンパートメント、バンパー、フェンダーライナー、内装トリム、装置パネル、ドアトリムなどがある。PPのその他の優れた特性は、高い耐薬品性、良好な耐候性、加工性、衝撃／剛性バランスであり、これがPPが市場で最も広く使用されているポリマーのひとつである理由である。
準等方性および異方性複合材料
繊維を熱可塑性プラスチック・マトリックスに組み込む方法は、ランダム配向繊維、一方向連続繊維、多方向織物などさまざまです（図1参照）。図1参照。添加される繊維の配向は、部品の特性に関して重要な役割を果たします。
ランダムに配向した繊維は、ある程度までニートポリマーよりも強度と剛性を増加させるが、優先的に配向した繊維を加えることで、部品のこの方向の性能が著しく向上する。すなわち、繊維配向方向の特性は繊維の特性に支配され、それに垂直な方向の特性はマトリックスの特性に支配される。この異方性挙動に関する知識は、これらの複合材コンポーネントの設計および製造のための前提条件である。機械的特性の異方性は誰もが最初に思い浮かべることですが、材料の膨張挙動も繊維方向によって異なります。材料の異方性が見落とされたり、知られていなかったりすると、最終製品に大きな問題を引き起こす可能性があります。例えば、平面に座屈が生じたり、さらに悪いことに亀裂や破損が生じたりします。
熱機械分析 - 複合材料の異方性を決定する方法
熱機械分析（TMA）の方法を用いると、繊維強化ポリマーの寸法変化、ひいては線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTEを異なる材料方向で測定することができる。この研究のために、ノイエ・マテリアン・バイロイトで試料を作製した。PP-GFのUDテープを3層重ね、ダブルベルトプレスで180～190℃の3つの加熱ゾーンで予備固化した。その後、ブランクを対流式オーブンで10分間予熱し、金型温度80℃のホットプレスに移した。そこで固化の間、10バールの圧力を5分間かけた。得られた厚みは1mmであった。テープの平均繊維体積含有率は45vol%であるが、プレートの局所的なばらつきは40～50vol%のGFで測定された。NETZSCH Analyzing & TestingでのTMA測定では、プレートから25 x 5 mmの試料を2つの異なる方向に切り出した：繊維方向に対して0°と90°。
試料は、新しいTMA 402F3 Hyperion® Polymer Editionを用いて測定した（図2）。最初の冷却ステップの後、-70℃から140℃まで5K/分の昇温速度で昇温した。熱膨張係数は、2つのデータ点間の傾きを計算する平均線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE分析（NETZSCH 分析ソフトウェアのm. 線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE）を用いて計算した。すべての測定条件を表1にまとめた。
表1：測定条件
| 試料ホルダー | エキスパンション、SiO2製 |
| 試料荷重 | 50 mN |
| 雰囲気 | N2 |
| ガス流量 | 50 ml/分 |
| 温度範囲 | -70°C ... 140°C 加熱速度 5K/分 |
例PP-GF-UDの異方性
この材料は、材料を測定する方向によって異なる線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTEを示す。この種の複合材料の線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTEは、マトリックスのCTEとそれに含まれる繊維のCTEとの組み合わせである。このため、このような材料のCTEは方向によってかなり異なる。2つの異なる繊維方向におけるPP-GFのCTE測定結果を図3に示す。赤い曲線は繊維方向0°での測定結果を示している。低いCTE値はガラスのCTE範囲内であり、この測定方向がガラス繊維の低熱膨張によって支配されていることを示しています。繊維方向に対して90°の方向で測定した同じ材料（黒色の曲線）は、ポリプロピレンのマトリックスによって支配されています。ポリプロピレンのガラス転移温度（Tg）は-7℃であり、赤の曲線では観察できない。
マトリックスでは、複合材料のCTEが支配的な方向となるのは混合則に従う：
ここで、αは線熱膨張係数（CTE）、vは体積分率、添字fとmはそれぞれ繊維とマトリックスを示す。測定された繊維方向0°のCTEがαfと同じであり、ポリプロピレンマトリックスのCTEがαm= 1.6 - 10-4K-1（ここでは測定していない）に相当すると仮定すると、測定された複合材中のガラス繊維体積率は次式で計算される：
概要
この研究は、高性能複合材料の熱膨張係数を繊維方向に基づいて解析することの重要性を示した。
承認
試料を提供してくださったNeue Materialien Bayreuth GmbHに感謝する。
ノイエ・マテリアリエン・バイロイト社について
ノイエ・マテリアリエン・バイロイト社は、ポリマーや繊維強化複合材料から金属に至るまで、軽量構造用の様々な新素材を開発する非学術的研究企業であり、加工も行っている。利用可能な材料や製造プロセスを最適化することで、用途に応じたソリューションを提供している。