航空宇宙材料

航空宇宙材料とは、航空宇宙の目的で開発されたか、航空宇宙の目的で使用されることで有名になった材料（多くの場合は金属合金）です。

これらの用途では、製造や加工にかなりの費用がかかっても、並外れた性能、強度、耐熱性が求められることがよくあります。安全性が重視されるこの分野では、疲労に対する耐性など、長期的な信頼性が求められる他の材料も選ばれています。

材料工学は航空宇宙工学の中でも重要な分野です。その実践は、関連する材料やプロセスの標準を維持する国際標準化団体^{[1]によって定義されています。 [2]}この分野のエンジニアは、多くの場合、専門分野として学位または大学院資格を取得しています。 ^[3]

最初の航空宇宙材料は、最初の航空機を建造するために使用された、古くからある、多くの場合は天然に存在する材料でした。これらには、翼構造用の木材やそれらを覆う布地やドープなどのありふれた材料が含まれていました。それらの品質は最も重要であったため、木材は慎重に選ばれたシトカスプルースで、覆いはアイリッシュリネンでした。これらの材料の選択、製造、使用には標準が必要でした。これらの標準は、メーカーや、後にRAEファーンバラとなるHMバルーンファクトリーなどの政府グループによって、大学の工学部の支援を受けて非公式に開発されました。

航空宇宙材料開発の次の段階は、最初の時効硬化アルミニウム合金であるジュラルミンなどの新開発材料を採用することでした。これらは、以前には得られなかった特性を提供しました。これらの新材料の多くでは、新しい特性の範囲、その動作、およびそれらを最大限活用する方法を決定するための研究も必要でした。この作業は、ドイツ帝国研究所^[4]や英国国立物理学研究所(NPL) などの新しい政府資金による国立研究所を通じて行われることが多かったです。

NPLは、おそらく最初に意図的に設計された航空宇宙材料であるY合金も開発しました。^[5]この最初のニッケルアルミニウム合金は、航空機エンジンのピストンの製造に適した材料を見つけるために意図的に行われた一連の実験^[6]の後に第一次世界大戦中に発見されました。

戦間期には、航空宇宙分野で多くの革新が起こり、単に本質的に強い材料というだけではなく、製造プロセスの分野で行われましたが、これらの材料も改良された材料の恩恵を受けました。RR合金の1つであるRR53Bにはシリコンが添加されており、溶融時の流動性が向上しました。これにより、ダイカストや以前の砂型鋳造などの用途に使用できるようになりました。砂型鋳造は、はるかに安価で、形状と仕上げがより正確な部品を製造する手段です。形状をより適切に制御できるため、設計者はタスクに合わせてより正確に成形でき、より薄く軽い部品も製造できるようになりました。

戦間期の多くの開発は航空機エンジンに関するもので、成長を続ける自動車産業で行われていた大幅な改良の恩恵を受けた。厳密には「航空宇宙」の革新ではないが、排気バルブのハードフェーシングにステライトやブライトレイなどの耐火合金を使用したことで、航空機エンジンの信頼性が大幅に向上した。^[7]新しいエンジンは海や山脈を越える長距離飛行でも安全とみなされるほど信頼性が高かったため、これによって長距離商業飛行が促進された。

1936 年のデ・ハビランドアルバトロス旅客機は、木製のサンドイッチ構造の胴体を備えていました。薄片状の樺の合板がバルサ板で間隔を空けて挟まれていました。この同じ構造は、戦時中にモスキート高速爆撃機に使用されたことで有名になりました。軽量で高性能な構造であるだけでなく、戦時中の戦略材料であるアルミニウムの使用を避け、航空機の専門金属加工業者ではなく木工職人の技術を活用することができました。ドイツがこの航空機をモスキートとして模倣しようとしましたが、主に材料上の理由で失敗しました。元のフェノール系フィルム接着剤 Tego は、爆撃で破壊された工場でのみ製造されていました。その代替品は、壊滅的な故障と航空機の喪失に直接つながりました。

レーダーは航空機に搭載できるほど小型になったが、壊れやすいフィードホーンと反射鏡を気流から保護し、流線型にする必要がありました。コックピットの窓にすでに使用されていたアクリル樹脂パースペックスを使用して、成形レドームが作られました。この樹脂は加熱して柔らかくし、成形または真空成形して形を整えることができました。この時期に開発された他のポリマー、特にナイロンは、小型無線機器の高電圧絶縁体または誘電体として利用されました。

ハニカム構造は、隔壁やデッキに使用される平らなサンドイッチシートとして開発されました。木材や紙板で作られた構造は長い間確立されていましたが、航空宇宙用途にはより頑丈な素材が必要でした。これは、戦争の終わりごろに、オールアルミニウムのハニカムサンドイッチで実現されました。

新しい軽量材料には、ポリマー複合材の進化に伴うセラミックマトリックス複合材、金属マトリックス複合材、ポリマーエアロゲル、CNTヤーンなどがあります。^{[8]これらの軽量材料は、より強く信頼性の高い構造、製造時間の短縮、}パワーウェイトレシオの向上をもたらしました。

「航空宇宙グレード」という用語は、高級品、特に自動車やスポーツ用品の流行のマーケティング スローガンになっています。自転車、ゴルフ クラブ、ヨット、さらには懐中電灯でさえ、関連性の有無にかかわらず、高性能素材をベースとして販売されています。1979 年の登場以来、マグライトは懐中電灯の本体に6061 アルミニウムを使用していることを宣伝してきました。これは、性能以外の理由で航空宇宙素材を意図的に採用した最初の企業の 1 つです。

スポーツ用途では、この素材の実際の品質が重視されてきた。多くのスキーメーカーは、スキー板の剛性、減衰、ねじり剛性をスキー板の長さに沿って変えるために、このような構造の調整可能性を利用して、布と樹脂の複合素材だけでスキー板を製造してきた。アルミニウムハニカムシートの製造業者であるHexcel は、この同じ先進的な素材を使用したブランドスキー板で有名になった。

スポーツ用途は、航空宇宙用途と同じくらい厳しい要求が課せられる可能性があります。特にサイクリングでは、材料に航空宇宙用途よりも高い負荷がかかる可能性があり、故障のリスクは航空機よりも許容範囲が広いと見なされます。

スポーツ用品に航空宇宙材料が使用されるようになったのは、多くの場合「平和の配当」の結果です。第二次世界大戦後、チタン合金は自転車のブレーキ部品に使用されました^[9]。これは、チタンメーカーが以前の軍用機に代わる新しい市場を開拓しようとしたためです。1990年代には、冷戦終結後にチタンの製錬業者とリサイクル業者の両方が新しい非軍事市場を模索し、自転車のフレームとゴルフクラブの両方にその市場を見出しました。

カーボンファイバー複合材とその独特の織り模様は、ダッシュボードなどの純粋に装飾的な場面でも、自動車やバイクの装飾に人気があります。これは、物理的特性を一切持たずに外観を スキューモーフィックに再現するために、柔軟な貼り付け式の模様付きビニールの使用にまで広がりました。