繊維強化プラスチック ( FRP ) ( 繊維強化ポリマーとも呼ばれる) は、繊維で強化されたポリマー マトリックスで作られた複合材料です。繊維は通常、ガラス、カーボン、アラミド、または玄武岩です。まれに、紙、木材、アスベストなどの他の繊維が使用されることもあります。ポリマーは通常、エポキシ、ビニルエステル、またはポリエステルの熱硬化性プラスチックです。フェノールホルムアルデヒド樹脂は今でも使用されています。
FRP は航空宇宙、自動車、船舶、建設業界で一般的に使用されています。それらは弾道防具にもよく見られます。
ポリマーは一般に逐次重合または付加重合により製造される。ポリマーの材料特性を強化したり、何らかの方法で変更したりするためにさまざまな薬剤と組み合わせた場合、その結果はプラスチックと呼ばれます。複合プラスチックとは、材料特性の異なる 2 つ以上の均質材料を結合して、特定の望ましい材料特性と機械特性を備えた最終製品を得ることで得られるプラスチックの種類を指します。繊維強化プラスチックは、特に繊維材料を使用してプラスチックの強度と弾性を機械的に強化する複合プラスチックのカテゴリーです。繊維強化のない元のプラスチック材料は、マトリックスまたは結合剤として知られています。マトリックスは丈夫ですが比較的弱いプラスチックであり、より強力で硬い強化用フィラメントまたは繊維によって強化されています。繊維強化プラスチックの強度と弾性がどの程度強化されるかは、繊維とマトリックスの両方の機械的特性、互いの体積、およびマトリックス内の繊維の長さと配向に依存します。 [1] マトリックスの強化は、FRP 材料がマトリックスのみの強度および弾性と比較して増加した強度または弾性を示す場合に定義上発生します。 [2]
ベークライトは最初の繊維強化プラスチックでした。レオ・ベークランド博士は当初、シェラック（ラックビートルの排泄物から作られる）の代替品を見つけることに着手していました。化学者たちは多くの天然樹脂や繊維がポリマーであることを認識し始めており、ベークランドはフェノールとホルムアルデヒドの反応を研究しました。彼は最初に「ノボラック」と呼ばれる可溶性フェノールホルムアルデヒドシェラックを製造しましたが、市場で成功することはありませんでした。その後、当時はゴムで成形されていたアスベスト用のバインダーの開発に移りました。彼は、フェノールとホルムアルデヒドに加えられる圧力と温度を制御することにより、1905 年に夢見ていた硬質成形可能な材料 (世界初の合成プラスチック) であるベークライトを製造できることを発見しました。 [3] [4] 彼は 1909 年 2 月 5 日のアメリカ化学会の会合で発明を発表しました。 [5]
商業用の繊維強化プラスチックの開発は、1930 年代に広範に研究されていました。英国では、ノーマン・デ・ブライネのような先駆者によってかなりの研究が行われました。これは特に航空業界にとって興味深いものでした。 [6]
ガラスストランドの大量生産は、1932 年にイリノイ州オーエンズ大学の研究者ゲームス スレイヤー氏が誤って溶融ガラスの流れに圧縮空気のジェットを向けて繊維を生成したときに発見されました。このグラスウール製造方法の特許は 1933 年に初めて申請されました。 [7] オーエンスは 1935 年にコーニング社に入社し、この方法はオーエンス コーニングによって 1936 年に特許取得済みの「ファイバーグラス」 (one 's') の製造に採用されました。元々、ファイバーグラスは繊維に大量のガスを閉じ込めたグラスウールで、特に高温で断熱材として役立ちました。
「ファイバーグラス」とプラスチックを組み合わせて複合材料を製造するのに適した樹脂は、1936 年にデュポンによって開発されました。現代のポリエステル樹脂の最初の祖先は 1942 年の Cyanamid の樹脂です。その時までに過酸化物硬化システムが使用されていました。 [8] ファイバーグラスと樹脂を組み合わせることで、材料のガス含有量がプラスチックに置き換えられました。これにより、断熱特性はプラスチックの典型的な値まで低下しましたが、この複合材料が構造材料および建築材料として優れた強度と有望性を初めて示しました。紛らわしいことに、多くのガラス繊維複合材は「グラスファイバー」（一般名として）と呼ばれ続け、その名前はプラスチックの代わりにガスを含む低密度グラスウール製品にも使用されました。
オーエンス コーニングのレイ グリーンは、1937 年に最初の複合ボートを製造したとされていますが、使用されたプラスチックの脆い性質のため、当時はそれ以上の開発は進められませんでした。 1939年、ロシアはプラスチック素材で旅客船を製造し、米国は航空機の胴体と翼を製造したと報告された。 [9] グラスファイバー製のボディを備えた最初の車は 1946 年のスタウト スカラベでした。このモデルは 1 台だけ製造されました。 [10] 1941 年のフォード プロトタイプは最初のプラスチック自動車である可能性がありますが、その後すぐに破壊されたため、使用された材料に関しては不確実性があります。 [11] [12]
最初の繊維強化プラスチック飛行機は、1937 年 5 月 12 日に初飛行したフェアチャイルド F-46 か、カリフォルニアで製造されたベネット プラスチック飛行機でした。 [13] グラスファイバー製の胴体は、1942年後半にライトフィールドを拠点とする改良型バルティーBT-13A（XBT-16と呼ばれる）で使用された。 [14] 1943年には、複合材料から航空機の構造部品を構築するさらなる実験が行われ、その結果、GFRP胴体を備えた最初の飛行機、aVultee BT-15が誕生し、1944年に飛行した。 [15] [16] [17] GFRP コンポーネント用のツールの重要な開発は、1943 年にリパブリック アビエーション コーポレーションによって行われました。 [18]
炭素繊維の生産は 1950 年代後半に始まり、広くはなかったものの、1960 年代初頭から英国の産業界で使用されました。アラミド繊維もこの頃製造されており、デュポン社によってノーメックスという商品名で最初に登場しました。現在、これらの繊維はそれぞれ、特定の強度または弾性特性を備えたプラスチックを必要とするあらゆる用途に産業界で広く使用されています。ガラス繊維はあらゆる業界で最も一般的ですが、炭素繊維および炭素繊維とアラミドの複合材料は航空宇宙、自動車、スポーツ用品の用途で広く使用されています。 [2] これら 3 つ (ガラス、カーボン、アラミド) は、引き続き FRP で使用される繊維の重要なカテゴリーです。
現在の規模での世界的なポリマー生産は 20 世紀半ばに始まり、低材料コストと生産コスト、新しい生産技術、新しい製品カテゴリーが組み合わさってポリマー生産が経済的になりました。この業界は 1970 年代後半にようやく成熟し、世界のポリマー生産量が鉄鋼の生産量を上回り、ポリマーは今日のどこにでもある材料になりました。繊維強化プラスチックは、当初からこの業界の重要な要素でした。
FRP には 2 つの異なるプロセスが含まれます。1 つは繊維状材料を製造および成形するプロセスで、2 つ目は繊維状材料を成形中にマトリックスと結合するプロセスです。 [2]
強化繊維は二次元と三次元の両方の方向で製造されます
二次元繊維強化ポリマーは、繊維が材料の x 方向および y 方向の平面に沿ってのみ整列している積層構造を特徴としています。これは、厚さ方向または z 方向に繊維が整列していないことを意味します。この厚さ方向の整列の欠如により、コストと加工において不利な点が生じる可能性があります。ウェットハンドレイアップ、オートクレーブ、樹脂トランスファーモールディングなど、複合材料の製造に使用される従来の加工技術では、切断、積み重ね、予備成形部品に統合するために大量の熟練労働者が必要となるため、コストと労働力が増加します。
三次元繊維強化ポリマー複合材料は、x 方向、y 方向、z 方向に繊維を組み込んだ三次元繊維構造を持つ材料です。三次元配向の開発は、製造コストを削減し、厚さ方向の機械的特性を向上させ、衝撃損傷耐性を向上させるという業界のニーズから生まれました。すべては二次元繊維強化ポリマーに関連した問題でした。
ファイバープリフォームは、マトリックスに結合する前にファイバーを製造する方法です。ファイバープリフォームは、多くの場合、シート、連続マット、またはスプレー用途の連続フィラメントとして製造されます。繊維プリフォームを製造する 4 つの主な方法は、織る、編む、組む、ステッチする繊維加工技術によるものです。
従来の方法で製織して二次元繊維を製造することも、多層織りで三次元繊維を製造することもできます。ただし、多層織りでは、z 方向に繊維を作成するために複数の縦糸の層が必要であるため、製造上、すべての縦糸を織機にセットアップする時間がかかるといういくつかの欠点が生じます。したがって、現在、ほとんどの多層織りは、プリフォーム製造コストが許容できる比較的狭い幅の製品、または高価値の製品を製造するために使用されています。多層織布の使用が直面する主な問題のもう 1 つは、互いに対してそれぞれ 0 インチおよび 90 インチ以外の角度で配向された繊維を含む布地を製造することが難しいことです。
繊維プリフォームを製造する 2 番目の主要な方法は、編組です。編み込みは幅の狭い平らな布地や管状の布地の製造に適していますが、幅の広い布地を大量に生産する場合には織りほどの能力はありません。編組は、長さに沿って断面形状または寸法が異なるマンドレルの上で行われます。ブレイディングはレンガ程度の大きさのオブジェクトに限定されます。標準的な織り方とは異なり、編組では、互いに 45 度の角度で繊維を含む生地を製造できます。三次元繊維の編組は、4 ステップ、2 ステップ、または多層インターロック編組を使用して行うことができます。4 ステップまたは行および列の編組では、目的のプリフォームの形状を形成するヤーン キャリアの行と列を含むフラット ベッドを利用します。追加のキャリアがアレイの外側に追加され、その正確な位置と量は、必要とされる正確なプリフォームの形状と構造に依存します。行と列の動きには 4 つの別々のシーケンスがあり、これらが糸を絡み合わせて編組プリフォームを製造するように機能します。織りの際のリードの使用と同様のプロセスで、各ステップの間に糸が機械的に構造に押し込まれ、構造が強化されます。 2 段階の編組では、軸方向に固定された多数の糸と少数の編組糸が含まれるため、4 段階のプロセスとは異なります。このプロセスは 2 つのステップで構成され、編組キャリアが軸方向のキャリア間の構造内を完全に移動します。この比較的単純な一連の動作により、円形や中空の形状を含む本質的にあらゆる形状のプリフォームを形成することができます。 4 段階プロセスとは異なり、2 段階プロセスでは機械的な圧縮が必要なく、プロセスに含まれる動作によって糸の張力だけで編組をしっかりと引っ張ることができます。最後のタイプの編組は、円筒形の編組フレームを形成するために一緒に結合された多数の標準的な円形編組からなる多層連動編組です。このフレームには、シリンダーの周囲に多数の平行な編組トラックがありますが、この機構により、隣接するトラック間でヤーンキャリアを移動させることができ、糸が隣接する層に絡み合う多層編組ファブリックを形成します。多層インターロック編組は、インターロック糸が主に構造の面内にあり、プリフォームの面内特性を大幅に低下させないという点で、4 段および 2 段の編組とは異なります。 4 ステップおよび 2 ステップのプロセスでは、編組糸がプリフォームの厚さを通って移動するときにより高度な相互結合が生成されますが、そのためプリフォームの面内性能への寄与は小さくなります。多層インターロック装置の欠点は、プリフォームを形成するためのヤーンキャリアの従来の正弦波運動により、この装置では 2 ステップおよび 4 ステップ装置で可能なヤーン キャリアの密度を実現できないことです。
繊維プリフォームの編成は、縦編みと横編みの伝統的な方法で行うことができ、製造される生地は多くの人によって二次元の生地とみなされることがよくありますが、2 つ以上のニードルベッドを備えた機械では、層間を横切るヤーンを使用して多層生地を製造することができます。針の選択とニットループの移動のための電子制御の開発、および生地の特定の領域を保持してその動きを制御できる高度な機構の開発。これにより、材料の無駄を最小限に抑えながら、ファブリック自体を必要な 3 次元プリフォーム形状に形成することが可能になりました。
ステッチはおそらく 4 つの主要な繊維製造技術の中で最も単純であり、特殊な機械への最小限の投資で実行できる技術です。基本的にステッチは、針を挿入してステッチ糸を通し、布地層のスタックを通して 3D 構造を形成することから構成されます。ステッチングの利点は、ドライ生地とプリプレグ生地の両方をステッチできることですが、プリプレグの粘着性によりプロセスが難しくなり、一般にドライ生地よりもプリプレグ材料の方が損傷が大きくなります。ステッチには、複合産業内で一般的に使用されている標準的な 2 次元生地も利用されているため、材料システムに関しては親近感があります。また、標準的な生地を使用すると、製造できる繊維の方向に制限がある他の繊維プロセスで可能となるものよりも、コンポーネントの生地のレイアップでより高い柔軟性が得られます。 [19]
FRP コンポーネントの形状を確立するには、通常、剛構造が使用されます。部品は、「コール プレート」と呼ばれる平らな表面、または「マンドレル」と呼ばれる円筒構造上にレイアップできます。ただし、ほとんどの繊維強化プラスチック部品は、金型または「ツール」を使用して作成されます。金型には、凹型の雌型、雄型を使用することも、上下の金型で部品を完全に囲むこともできます。
FRP プラスチックの成形プロセスは、繊維プリフォームを金型上または金型内に配置することから始まります。ファイバープリフォームは、乾燥ファイバー、または「プリプレグ」と呼ばれる所定量の樹脂をすでに含むファイバーの場合があります。乾燥した繊維は、手作業で樹脂で「湿らせる」か、閉じた金型に樹脂を注入します。その後、部品が硬化され、マトリックスと繊維が金型によって作成された形状に残ります。樹脂を硬化させ、最終部品の品質を向上させるために、熱や圧力が使用されることがあります。さまざまな形成方法を以下に示します。
プリプレグ材料の個々のシートが重ねられ、バルーン状のブラダーとともにメス型の型に配置されます。金型を閉じて、加熱したプレス機に置きます。最後に、ブラダーが加圧され、材料の層が金型の壁に押し付けられます。
原材料（プラスチックブロック、ゴムブロック、プラスチックシート、顆粒）に強化繊維が含まれている場合、圧縮成形品は繊維強化プラスチックとなります。より一般的には、圧縮成形で使用されるプラスチックプリフォームには強化繊維が含まれていません。圧縮成形では、SMC、BMC の「プリフォーム」または「チャージ」が金型キャビティに配置されます。金型が閉じられ、材料は圧力と熱によって内部で形成および硬化されます。圧縮成形では、最大 20 分の硬化時間内で、パターンやレリーフのディテールから複雑な曲線や独創的な形状、精密エンジニアリングまで、さまざまな幾何学的形状に優れたディテールを施すことができます。 [20]
プリプレグ材料の個々のシートがレイアップされ、開いた金型に配置されます。この材料は、剥離フィルム、ブリーダー/ブリーザー材料、および真空バッグで覆われています。一部を真空引きし、金型全体をオートクレーブ (加熱された圧力容器) に入れます。部品は連続真空で硬化され、ラミネートから閉じ込められたガスが抽出されます。これは航空宇宙産業では非常に一般的なプロセスです。1 ～ 数時間の長くて遅い硬化サイクルにより、成形を正確に制御できるためです。 [21] この精密な制御により、航空宇宙産業での強度と安全性を確保するために必要な正確な積層の幾何学的形状が作成されますが、時間がかかり、労働集約的であるため、コストの関係で航空宇宙産業に限定されることがよくあります。 [20]
プリプレグ材料のシートがスチールまたはアルミニウムのマンドレルに巻き付けられます。プリプレグ材料はナイロンまたはポリプロピレンのセロテープで圧縮されています。部品は通常、真空袋に入れてオーブンに吊るすことによってバッチ硬化されます。硬化後、チェロとマンドレルが取り外され、中空のカーボンチューブが残ります。このプロセスにより、強くて頑丈な中空カーボンチューブが作成されます。
湿式レイアップ成形では、成形ツール上に配置された繊維強化材とマトリックスを結合します。 [2] 強化繊維層をオープンモールドに置き、湿った樹脂を布地の上に注ぎ、布地に浸透させます。その後、樹脂が硬化するまで金型を放置します。ただし、適切な硬化を確実にするために熱が使用される場合もありますが、通常は室温で硬化します。ウェットレイアップを圧縮するために真空バッグが使用される場合があります。このプロセスにはガラス繊維が最も一般的に使用され、その結果はグラスファイバーとして広く知られており、スキー、カヌー、カヤック、サーフボードなどの一般的な製品の製造に使用されています。 [20]
グラスファイバーの連続ストランドが手持ち式ガンに押し込まれ、ストランドが切断され、ポリエステルなどの触媒作用のある樹脂と結合されます。含浸された細断ガラスは、人間のオペレーターが適切と考える厚さとデザインで金型の表面にショットされます。このプロセスは、経済的なコストで大規模な生産に適していますが、他の成形プロセスよりも強度が低く、寸法公差が低い幾何学的形状を生成します。Design Tanks LLC は、このプロセスを利用するトップ メーカーの 1 つです。 [20]
機械は樹脂の湿ったバスを通して繊維束を引っ張り、回転するスチール マンドレルに特定の方向で巻き付けます。部品は室温または高温で硬化されます。マンドレルは抽出され、最終的な幾何学的形状が残りますが、場合によっては残すこともできます。 [20]
繊維束とスリット生地を樹脂の湿式バスに通して引っ張り、大まかな部品の形状に成形します。飽和した材料は、加熱された密閉ダイから押し出され、硬化しながらダイを通して連続的に引き出されます。引抜成形の最終製品には、I ビーム、アングル、チャネル、フラット シートなどの構造形状があります。これらの材料は、はしご、プラットフォーム、手すりシステムのタンク、パイプ、ポンプのサポートなど、あらゆる種類のグラスファイバー構造を作成するために使用できます。 [20]
とも呼ばれます 樹脂注入。生地を型に入れ、湿った樹脂を注入します。通常、樹脂トランスファー成形では、樹脂は真空下にあるキャビティに加圧されて押し込まれます。真空補助樹脂トランスファー成形では、樹脂全体が真空下でキャビティ内に引き込まれます。この成形プロセスでは、正確な公差と詳細な成形が可能ですが、場合によっては生地を完全に浸透させることができず、最終形状に弱点が生じることがあります。 [20]
FRP を使用すると、特定の設計プログラムに合わせて熱可塑性プラスチックのガラス繊維を整列させることができます。強化繊維の配向を指定すると、ポリマーの強度と変形に対する耐性を高めることができます。ガラス強化ポリマーは、ポリマー繊維が加えられる力に対して平行な場合に最も強く、変形力に対して最も抵抗力があり、繊維が垂直な場合に最も弱くなります。したがって、この機能は、使用状況に応じて利点にもなると同時に制限にもなります。垂直繊維の弱い部分は、自然なヒンジや接続に使用できますが、製造プロセスで繊維が予想される力に対して平行に適切に配向されない場合、材料の破損につながる可能性もあります。繊維の配向に対して垂直に力がかかると、ポリマーの強度と弾性はマトリックス単独よりも低くなります。 UP や EP などのガラス強化ポリマーで作られた注型樹脂部品では、繊維の配向を 2 次元および 3 次元の織りで配向させることができます。これは、力が 1 つの方向に対して垂直である可能性がある場合、別の方向に対しては平行であることを意味します。これにより、ポリマーに弱点ができる可能性が排除されます。
FRP 材料では次のような場合に構造破壊が発生する可能性があります。
引張力により、繊維よりもマトリックスが引き伸ばされ、マトリックスと繊維の間の界面で材料がせん断されます。
繊維の端近くの引張力がマトリックスの許容範囲を超え、繊維がマトリックスから分離します。
また、引張力が繊維の公差を超えると、繊維自体が破損し、材料の破損につながる可能性があります。 [2]
熱硬化性ポリマーマトリックス材料またはエンジニアリンググレードの熱可塑性ポリマーマトリックス材料は、まず FRP に適し、それ自体の強化を確実に行うために、特定の要件を満たさなければなりません。マトリックスは適切に飽和でき、できれば適切な硬化期間内で最大限の接着力を得るために繊維強化材と化学的に結合できなければなりません。また、マトリックスは繊維を完全に包み込んで、強度を低下させる切り傷や切り込みから繊維を保護し、繊維に力を伝達する必要があります。また、破損が発生した場合にその発生箇所ができるだけ局所に集中するように、ファイバーを互いに分離しておく必要があります。また、破損が発生した場合には、同様の理由でマトリックスもファイバーから剥離する必要があります。最後に、マトリックスは、強化および成形プロセス中およびプロセス後に化学的および物理的に安定した状態を保つプラスチックである必要があります。強化材として適しているためには、繊維添加剤がマトリックスの引張強度と弾性率を高め、以下の条件を満たす必要があります。繊維は臨界繊維含有量を超えなければなりません。繊維自体の強度と剛性は、マトリックス単独の強度と剛性を超えていなければなりません。繊維とマトリックスの間に最適な結合が存在する必要があります
「ガラス繊維強化プラスチック」または FRP (一般に単にガラス繊維と呼ばれる) は繊維グレードのガラス繊維を使用します。これらの織物繊維は、断熱用途のために意図的に空気を捕捉するために使用される他の形態のガラス繊維とは異なります (グラスウールを参照)。繊維ガラス繊維は、2、Al 2O 3、B 2O 、CaO、または MgO のさまざまな組み合わせとして始まります。3粉末状のSiO 次に、これらの混合物を直接溶融して摂氏約 1300 度の温度まで加熱し、その後ダイを使用して直径 9 ～ 17 μm の範囲のガラス繊維のフィラメントを押し出します。これらのフィラメントはその後、より大きな糸に巻かれ、輸送およびさらなる加工のためにボビンに紡がれます。ガラス繊維はプラスチックを強化するための最も一般的な手段であるため、豊富な製造プロセスが利用されており、その一部は共通の繊維品質によりアラミド繊維やカーボン繊維にも同様に適用できます。
ロービングは、フィラメントを紡いでより大きな直径の糸にするプロセスです。これらの糸は、強化ガラス織物やマット、スプレー用途に一般的に使用されます。
繊維織物は、経糸と緯糸の両方向を持つウェブ状の織物補強材です。ファイバーマットは、ガラス繊維でできたウェブ状の不織布マットです。マットは、細断繊維を使用してカット寸法で製造されるか、または連続繊維を使用して連続マットで製造されます。チョップドグラスファイバーは、ガラス糸を 3 ～ 26 mm の間で切断するプロセスで使用され、その糸は成形プロセスで最も一般的に使用されるプラスチックに使用されます。ガラス繊維短ストランドは、射出成形で熱可塑性プラスチックを強化するために最も一般的に使用されるガラス繊維の短い 0.2 ～ 0.3 mm ストランドです。
炭素繊維は、ポリアクリロニトリル繊維 (PAN)、ピッチ樹脂、またはレーヨンが高温で炭化 (酸化および熱分解によって) されるときに生成されます。黒鉛化または延伸のさらなるプロセスを通じて、繊維の強度または弾性をそれぞれ強化することができます。カーボンファイバーは、直径が 4 ～ 17 μm のガラスファイバーと同様の直径で製造されます。これらの繊維は、輸送やさらなる生産プロセスのために、より大きな糸に巻き取られます。 [2] さらなる製造プロセスには、ガラスについて説明したものと同様のカーボン織物、布、およびマットを織り込んだり編んだりすることが含まれており、これらは実際の強化材に使用できます。 [1]
アラミド繊維は、ケブラー、ノーメックス、テクノーラとして最も一般的に知られています。アラミドは一般に、アミン基とカルボン酸ハロゲン化物基（アラミド）との反応によって製造されます。 [1] これは一般に、芳香族ポリアミドを液体濃度の硫酸から紡糸して結晶化繊維にするときに発生します。 [2] 次に、繊維を紡いで大きな糸にし、大きなロープや織布 (アラミド) を織ります。 [1] アラミド繊維は、強度と剛性のさまざまな品質に基づいてさまざまなグレードで製造されるため、製造中に強靭な材料を切断するなど、特定の設計ニーズに合わせて材料をある程度調整できます。 [2]
| 補強材[2] | 最も一般的なマトリックス材 | 特性の向上 |
|---|---|---|
| ガラス繊維 | UP、EP、PA、PC、POM、PP、PBT、VE | 強度、弾性、耐熱性 |
| 木質繊維 | PE、PP、ABS、HDPE、PLA | 曲げ強さ、引張弾性率、引張強さ |
| カーボン繊維とアラミド繊維 | EP、UP、VE、PA | 弾性、引張強さ、圧縮強さ、耐電圧性。 |
| 無機微粒子 | 半結晶性熱可塑性プラスチック、UP | 等方収縮、摩耗、圧縮強度 |
繊維強化プラスチックは、軽量化、精密エンジニアリング、有限公差、生産と運用の両方における部品の簡素化を必要とするあらゆる設計プログラムに最適です。成形ポリマー加工品は、鋳造アルミニウムや鋼製加工品よりも安価、迅速、簡単に製造でき、同様の、場合によってはより優れた公差と材料強度を維持します。
エアバスA310の舵
アルミニウム板で作られた従来の舵と比較した利点は次のとおりです。
25％の軽量化
部品と形状を組み合わせてよりシンプルな成形部品にすることで、部品点数を 95% 削減。
生産コストと運用コストが全体的に削減され、部品の節約により生産コストが削減され、重量の削減により燃料の節約がもたらされ、飛行機の飛行にかかる運用コストが削減されます。
エンジンのインテークマニホールドはガラス繊維強化 PA 66 で作られています。
オーバーキャストアルミニウムマニホールドの利点は次のとおりです。
最大 60% の重量削減
表面品質と空気力学の向上
部品や形状を組み合わせてよりシンプルな成形形状にすることで部品点数を削減。
ガラス繊維強化 PA 66 (DWP 12 ～ 13) 製の自動車用ガス ペダルおよびクラッチ ペダル
プレス加工されたアルミニウムと比較した利点は次のとおりです。
ペダルは、ペダルと機械的リンケージの両方を組み合わせた単一ユニットとして成形できるため、設計の製造と操作が簡素化されます。
繊維を方向付けして特定の応力に対して強化することができ、耐久性と安全性が向上します。
アルミニウムの窓、ドア、ファサードは、ガラス繊維強化ポリアミド製の断熱プラスチックを使用することで断熱されます。 1977 年、Ensinger GmbH は窓システム用の最初の断熱プロファイルを製造しました。
FRPは建物や橋梁などの梁、柱、床版の強化に使用できます。荷重条件により構造部材が深刻な損傷を受けた後でも、構造部材の強度を高めることが可能です。損傷した鉄筋コンクリート部材の場合、まず、ばらばらの破片を取り除き、空洞やひび割れをモルタルまたはエポキシ樹脂で埋めることによって部材を修復する必要があります。部材を修理した後は、繊維シートにエポキシ樹脂を含浸させ、洗浄して準備した部材の表面に塗布するという湿式手作業のレイアップによって強化を達成できます。
通常、梁の強化には、曲げ強化またはせん断強化という、目的の強度強化に関連する 2 つの技術が採用されます。多くの場合、両方の強度強化を提供する必要がある場合があります。梁の曲げ強度を高めるために、部材の引張り面（上面荷重や重力荷重がかかる単純支持部材の下面）にFRPシートや板を貼り付けます。主な引張繊維は、内部の曲げ鋼鉄筋と同様に、ビームの長手方向軸に沿って配向されています。これにより、ビームの強度と剛性 (単位のたわみを引き起こすために必要な荷重) が増加しますが、たわみ容量と延性は減少します。
梁のせん断強化のために、FRP は梁の長手軸に対して横方向に繊維が配向された状態で部材のウェブ (側面) に適用されます。せん断力への抵抗力は、内部の鋼製あばら筋と同様に、負荷がかかったときに形成されるせん断亀裂を橋渡しすることによって達成されます。 FRP は、部材の露出面と必要な強化の程度に応じて、サイドボンディング、U ラップ (U ジャケット)、クローズド ラップ (完全なラップ) など、いくつかの構成で適用できます。サイドボンディングは梁の側面のみにFRPを貼り付ける工法です。 FRP フリーエッジでのコンクリート表面からの剥離によって引き起こされる破壊によるせん断強化を最小限に抑えます。 U ラップの場合、FRP はビームの側面と底面 (張力面) の周りに「U」字型に連続的に適用されます。ビームのすべての面にアクセスできる場合は、強度を最大限に高めるため、閉じたラップを使用することが望ましいです。クローズドラッピングでは、自由端がなくなり、典型的な破損モードが繊維の破断となるように、部材の全周に FRP を適用します。すべてのラップ構成において、FRP は、事前定義された最小幅と間隔を有する連続シートまたは個別のストリップとして部材の長さに沿って適用できます。
スラブは、底面（張力面）に FRP ストリップを適用することで強化できます。これにより、スラブの引張抵抗が FRP の引張強度によって補われるため、曲げ性能が向上します。梁やスラブの場合、FRPの強化効果は接着に選択した樹脂の性能に依存します。これは、サイドボンディングまたは U ラップを使用したせん断強化の場合に特に問題になります。通常、カラムはクローズドまたは完全ラッピングと同様に、周囲を FRP で包みます。これにより、せん断抵抗が増加するだけでなく、柱の設計にとってさらに重要な点として、軸方向荷重下での圧縮強度が増加します。 FRP ラップは柱の横方向の膨張を抑制することで機能し、柱コアのスパイラル補強と同様の方法で閉じ込めを強化できます。
2013 年 6 月、KONE エレベーター会社は、エレベーターのスチール ケーブルの代替品として使用するウルトラロープを発表しました。カーボンファイバーを高摩擦ポリマーで密封します。スチール ケーブルとは異なり、ウルトラロープは最大 1,000 メートルの上昇を必要とする建物向けに設計されています。鋼製エレベーターは最高高度 500 メートルです。同社は、高さ 500 メートルの建物では、エレベーターの消費電力がスチール製ケーブルのバージョンより 15% 少ないと推定しています。 2013 年 6 月の時点で、この製品は欧州連合および米国のすべての認定テストに合格しています。 [22]
FRP は、非強化プラスチックやその他の材料の選択では機械的または経済的に適さない強度または弾性率の測定を必要とする設計に使用されます。これは、FRP を使用する際の主な設計上の考慮事項は、材料が経済的に、特に構造上の強化点を活用した方法で使用されることを保証することであることを意味します。ただし、これは常に当てはまるわけではなく、繊維の配向によって繊維に対して垂直な材料の脆弱性も生じます。したがって、繊維強化材の使用とその配向は、最終形状の強度、剛性、弾性、ひいては最終製品自体の動作に影響を与えます。製造時に繊維の方向を一方向、二次元、三次元のいずれかに配向することは、最終製品の強度、柔軟性、弾性の程度に影響します。力の方向に配向された繊維は、これらの力による歪みに対してより大きな抵抗力を示し、またその逆も同様であるため、力に耐えなければならない製品の領域は同じ方向の繊維で強化され、天然ヒンジなどの柔軟性が必要な領域には力に対して垂直方向の繊維が使用されます。より多くの寸法を使用すると、このいずれかのシナリオが回避され、繊維の一方向配向による特定の弱点を回避しようとするオブジェクトが作成されます。強度、柔軟性、弾性の特性は、最終製品の幾何学的形状やデザインによって拡大または縮小することもできます。これらには、適切な壁厚の確保、単一部品として成形できる多機能の幾何学的形状の作成、接合部、接続、ハードウェアの削減による材料と構造の完全性を高める形状の作成などの設計上の考慮事項が含まれます。 [2]
プラスチックの一部である FR プラスチックは、プラスチック廃棄物の処理とリサイクルにおいて多くの問題や懸念を抱えています。プラスチックは、多くの場合、分離して元の状態に戻すことができないポリマーやモノマーに由来するため、リサイクルにおいて特に課題が生じます。このため、すべてのプラスチックをリサイクルして再利用できるわけではありません。実際、プラスチックの 20% ～ 30% しかリサイクルできないという推定もあります。繊維強化プラスチックとそのマトリックスは、廃棄と環境に関するこれらの懸念を共有しています。これらの懸念に加えて、繊維自体をマトリックスから取り外して再利用のために保存するのが難しいという事実は、FRP がこれらの課題をさらに増大させることを意味します。 FRP は本質的に、基材、つまり繊維とマトリックスに分離し、マトリックスを使用可能なプラスチック、ポリマー、モノマーに分離するのが困難です。これらはすべて、今日の環境に配慮した設計に対する懸念事項です。プラスチックは、他の材料と比較して、多くの場合、エネルギーの節約と経済的な節約をもたらします。さらに、バイオプラスチックや紫外線分解性プラスチックなど、より環境に優しい新しいマトリックスの出現により、FRP は環境への敏感性が高まるでしょう。 [1]
長繊維強化熱可塑性樹脂
^ 上にジャンプします: a b c d e Smallman、RE、RJ Bishop。現代の物理冶金学と材料工学。第6版オックスフォード：バターワース＝ハイネマン、1999年。
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>>>>>注: 記事の出典は https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_プラスチック<<<<