複合材料、計算工学

複合材料の特性発現メカニズム

2009年　日本航空宇宙学会 第51回構造強度に関する講演会 若手奨励賞
2019年　Composite Award, The Institute of Materials, Minerals and Mining, United Kingdom

炭素繊維で強化した樹脂による軽くて強い構造、金属の微粒子を添加した熱伝導性樹脂による電子機器の効率的な放熱など、複数の材料を組合わせることによって、一つの材料には無い特性、機能が実現できます。もしどんな性質も持たせることができるのなら、あえて役に立たなそうな性質を持たせてみたらどうでしょう。例えば、曲げようとすると捻じれる板、押し縮めると竹のように裂ける棒というのはどうでしょうか。複合材料は、多くの場合、方向によって壊れにくさや変形しにくさが異なるという性質を持っており、この性質を異方性と呼びます。これを利用すると、先ほどの役に立たなそうな材料も含め、様々な材料を作ることができるのです。ちなみに、新しい技術が思いもよらないところで役に立つのはよくあることです。上で紹介した材料は、実は本当に研究されています。曲げると捻じれる板は、飛行機の翼が空気の流れに対して振動しにくくするために使われており、押し縮めると裂ける棒は、自動車が衝突したときに衝撃を吸収して搭乗者を守る用途などが期待されています。研究を通じて、皆さんも面白いと思えるものを一緒に見つけていきましょう。

炭素繊維によって樹脂を強化した炭素繊維強化樹脂(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)は、比強度、比剛性に優れ、航空宇宙分野をはじめとした多くの産業分野で適用が広がっています。しかしながら、その優れた特性は繊維に沿った方向に限られ、繊維に垂直な方向にはとても弱いため、多くの場合、異なる繊維方向の薄い層を重ねた積層材料として用いられます。このため、材料の内部に、繊維に沿った割れ、層間の剥がれなどの損傷が生じやすい事が課題となっています。当研究室では、実験による損傷の観察や、有限要素法などの数値計算法により、複合材料の強度などの特性発現のメカニズムを研究しています。