先進複合材料（工学）

材料科学において、先進複合材料（ACM）とは、一般的に、他の材料と比較して非常に高い強度と剛性（弾性率）を持つ繊維を、より弱いマトリックスで結合した材料を指します。これらは、鉄筋コンクリートやコンクリート自体など、一般的に使用されている複合材料と比較して、「先進複合材料」と呼ばれています。高強度繊維は、体積の大部分を占めながらも密度が低いという特徴も持っています。

先進複合材料は、軽量でありながら高い剛性（弾性）、強化繊維方向の強度、寸法安定性、耐熱性、耐薬品性、屈曲性能、そして比較的容易な加工性といった、望ましい物理的・化学的特性を備えています。先進複合材料は、特に航空宇宙産業をはじめとする多くの用途において、金属部品の代替として利用されつつあります。

複合材料は、マトリックス相に基づいて分類されます。これらの分類は、ポリマーマトリックス複合材料（PMC）、セラミックマトリックス複合材料（CMC）、および金属マトリックス複合材料（MMC）です。また、これらのカテゴリーに属する材料は、高い（軸方向、縦方向）強度値と高い（軸方向、縦方向）剛性値、軽量性、耐食性、そして場合によっては特殊な電気特性を兼ね備えている場合、「先進的」と呼ばれることがよくあります。

先進複合材料は、航空機、航空宇宙、スポーツ用品の分野で幅広く実績のある用途があります。さらに具体的には、ACM は航空機や航空宇宙の構造部品に非常に魅力的です。ACM は、NASA の先進宇宙輸送プログラム、陸軍航空隊および米国連邦航空局の装甲保護、コマンチ ヘリコプターの高温シャフト用に開発されました。さらに、ACM は軍事および政府の航空宇宙産業で数十年の歴史があります。しかし、その技術の多くは新しく、中等教育や大学教育で正式には紹介されておらず、先進複合材料の製造技術は絶えず進化しています。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

ACMの製造は、世界中で数十億ドル規模の産業です。複合材製品は、スケートボードからスペースシャトルの部品まで多岐にわたります。この産業は、一般的に工業用複合材と先進複合材の2つの基本セグメントに分けられます。複合材の製造プロセスのいくつかは、両方のセグメントに共通しています。2つの基本セグメントについては、以下で説明します。^{[ 1 ] [ 2 ]}

強度と軽量性にもかかわらず、複合材料は航空機構造の万能薬とはなっていない。複合材料は一般的に欠陥の検査が難しく、中には吸湿するものもある。最も重要なのは、製造に手間がかかり、複雑で高価な製造機械が必要となることが多いため、非常に高価になる可能性があることである。対照的に、アルミニウムは製造と修理が容易で安価である。例えば、軽微な衝突の場合、アルミニウム部品はハンマーで叩いて元の形状に戻すことができることが多いが、潰れたグラスファイバー部品は完全に交換する必要がある可能性が高い。^{[ 5 ]}

アルミニウムは比較的高い破壊靭性を持ち、破壊する前に大きな塑性変形を受けることができます。一方、複合材料は損傷に対する耐性が低く、破壊する前に塑性変形を受ける量がはるかに少なくなります。アルミニウムだけで作られた飛行機は、ほぼどこでも修理できます。これは、特に異なる特殊な材料を使用する複合材料には当てはまりません。このため、複合材料は、メンテナンスをあまり必要としない民間航空機よりも、常にメンテナンスが必要な軍用航空機でより多く使用される可能性が高いです。^{[ 5 ]}アルミニウムは依然として航空機構造にとって非常に有用な材料であり、冶金学者はアルミニウムリチウム合金などのより優れたアルミニウム合金の開発に懸命に取り組んできました。

• 複合材料
• NASA先進宇宙輸送プログラム

• バックランド、ピーター・G.「橋梁への応用を伴う先進複合材料」 1991年9月30日。
• オークリッジ国立研究所。「自動車用炭素繊維複合材料」第33巻、第3号、2000年。
• 世界中の複合材料検索エンジン複合材料関連企業の大規模データベース。

 この記事には、労働安全衛生局のウェブサイトや文書からのパブリックドメインの資料が含まれています。

 この記事には、米国航空宇宙局のウェブサイトや文書からのパブリックドメインの資料が含まれています。