12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
高性能複合材部品の設計に異方性の知識が不可欠な理由
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。熱可塑性プラスチック・マトリックスに繊維を組み込む方法は様々で、ランダムに配向した繊維、一方向に連続した繊維、多方向の織物などがあります。追加された繊維の配向は、部品の特性に関して重要な役割を果たします。TMA 402F3 Hyperion® Polymer Editionで、複合材料の異方性挙動が有利な理由とその測定方法を学んでください。
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、金属部品よりもはるかに密度が低い。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な、モビリティ分野、特に自動車産業の部品に関しては、非常に望ましい特性である。繊維マトリックス複合材料を自動車産業にとって非常に興味深いものにしているもう一つの利点は、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)は非強化材料であるが、短繊維や連続繊維で強化された材料もあり、その優れた機械的特性、成形性、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、ケースやトレイ、バンパー、フェンダーライナー、内装トリム、インストルメントパネル、ドアトリムなどがあります。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）。添加する繊維の配向は、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、ニートポリマーと比較して強度と剛性をある程度向上させますが、優先的に配向した繊維を添加することで、この部品方向の性能が大幅に向上します。この優先配向は複合材料に異方性を与える。すなわち、繊維配向の特性は繊維の特性に支配され、それに垂直な方向ではマトリックスの特性がより顕著になる。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に必要である。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ことがある。例えば、平面が座屈したり、さらに悪いことに亀裂が入ったり、割れたりすることがある。
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）の方法を用いれば、繊維強化ポリマーの寸法変化、ひいてはCoefficient of Linear Thermal Expansion (CLTE/CTE) - 線膨張係数The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTEを異なる材料方向から測定することができる。この研究のために、Neue Materialien Bayreuth社で試料が準備された。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。その結果、厚みは1mmとなった。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の間で測定された。
NETZSCH Analyzing & TestingでのTMA測定では、プレートから25 x 5 mmのサンプルを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°である。
サンプルは新しいTMA 402F3 Hyperion® Polymer Editionで測定した。最初の冷却ステップの後、5K/分の昇温速度で-70℃から140℃まで昇温した。熱膨張係数は、2点間の傾きを計算する平均Coefficient of Linear Thermal Expansion (CLTE/CTE) - 線膨張係数The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE分析（m. CTE）を用いて算出した。すべての測定条件を以下の表にまとめた：
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...300℃、昇温速度5 K/分 |
例PP-GF-UDの異方性
この材料は、測定する方向によって異なるCTEを示す。この種の複合材料のCTEは、マトリックスとそれに含まれる繊維との混合物である。したがって、これらの材料のCTEは方向によってかなり異なります。2つの異なる繊維方向におけるPP-GFのCTE測定結果を下のプロットに示す。赤い曲線は繊維方向0°での測定結果を示しています。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が支配的な方向は混合則に従う：
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CTEαm=1.6×10-4K-1（ここでは測定していない）と仮定すると、測定された複合材中のガラス繊維体積分率は次のように計算される。
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。
熱機械分析とその応用分野の詳細についてご興味のある方は、www.NETZSCH.com/tmapolymereditionをご覧ください。
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まで、軽量構造用のさまざまな新素材を、加工も含めて開発している非学術的研究企業です。利用可能な材料や生産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。
