複合材料

コンクリートは、あらゆる人工複合材料の中で最も一般的なものである。2009年現在毎年約75億立方メートルのコンクリートが製造されています。^{[ 17 ]} コンクリートは通常、セメントのマトリックスで保持された緩い石（建設用骨材）で構成されています。コンクリートは大きな圧縮力に耐える安価な材料ですが、^{[ 18 ]}引張荷重には弱いです。^{[ 19 ]}コンクリートに引き伸ばしに対する抵抗力を持たせるために、高い引き伸ばし（引張）力に耐えることができる鉄筋がコンクリートに添加され、鉄筋コンクリートが形成されることがよくあります。^{[ 20 ]}

繊維強化ポリマーには、炭素繊維強化ポリマーとガラス繊維強化プラスチックが含まれます。マトリックスで分類すると、熱可塑性複合材料、短繊維熱可塑性樹脂、長繊維熱可塑性樹脂、または長繊維強化熱可塑性樹脂があります。紙複合パネルを含む多数の熱硬化性複合材料があります。多くの高度な熱硬化性ポリマーマトリックスシステムは通常、エポキシ樹脂マトリックスにアラミド繊維と炭素繊維を組み込んでいます。^{[ 21 ] [ 22 ]}

形状記憶ポリマー複合材料は、繊維または布地の補強材と形状記憶ポリマー樹脂をマトリックスとして配合した高性能複合材料です。形状記憶ポリマー樹脂をマトリックスとして使用しているため、これらの複合材料は、活性化温度以上に加熱するとさまざまな形状に容易に加工でき、低温では高い強度と剛性を発揮します。また、材料特性を損なうことなく、繰り返し再加熱および再成形できます。これらの複合材料は、軽量で剛性のある展開可能な構造、迅速な製造、および動的補強などの用途に最適です。^{[ 23 ] [ 24 ]}

高ひずみ複合材料は、高変形環境での性能を発揮するように設計された高性能複合材料の一種であり、構造的な屈曲が有利となる展開システムによく使用されます。高ひずみ複合材料は形状記憶ポリマーと多くの類似点を示しますが、その性能は一般的にマトリックスの樹脂含有量ではなく繊維の配置に依存します。^{[ 25 ]}

複合材料には、金属繊維で他の金属を強化するものもあり、金属マトリックス複合材料(MMC) ^{[ 26 ]}やセラミックマトリックス複合材料(CMC) ^{[ 27 ]}などがある。セラミックマトリックス複合材料には、骨(コラーゲン繊維で強化されたヒドロキシアパタイト)、サーメット(セラミックと金属)、コンクリートなどがある。セラミックマトリックス複合材料は、強度ではなく、主に破壊靭性を目的として作られている。別の種類の複合材料には、縦方向と横方向に糸を通した織物複合材料がある。織物複合材料は、布の形をしているため柔軟性がある。

有機マトリックス/セラミック骨材複合材には、アスファルトコンクリート、ポリマーコンクリート、マスチックアスファルト、マスチックローラーハイブリッド、歯科用複合材、シンタクチックフォーム、真珠母貝などがある。^{[ 28 ]}チョバム装甲は、軍事用途で使用される特殊なタイプの複合装甲である。

さらに、熱可塑性複合材料は特定の金属粉末を用いて配合することができ、その結果、密度が 2 g/cm ³～ 11 g/cm ³ (鉛と同じ密度) の範囲の材料が得られます。この種の材料の最も一般的な名称は「高比重化合物」(HGC) ですが、「鉛代替」という名称も使われます。これらの材料は、重量調整、バランス調整 (例えば、テニスラケットの重心の変更) 、振動減衰、放射線遮蔽などの用途において、アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮、青銅、銅、鉛、さらにはタングステンなどの従来の材料の代わりに使用できます。高密度複合材料は、特定の材料が危険とみなされて禁止されている場合 (鉛など) や、二次加工コスト (機械加工、仕上げ、コーティングなど) が問題となる場合に、経済的に実行可能な選択肢となります。^{[ 29 ]}

硬くて脆いエポキシ系炭素繊維強化ポリマー積層板と柔軟な熱可塑性積層板を交互に積層することで、耐衝撃性が向上した高靭性複合材料を作製できることを示唆する研究がいくつかある。^{[ 30 ]}このような積層複合材料のもう 1 つの興味深い点は、形状記憶ポリマーや形状記憶合金を必要とせずに形状記憶特性を発現できることである。例えば、ホットグルーで挟んだバルサ材の積層板^{[ 31 ]} 、アクリルポリマーやPVCで挟んだアルミニウム材の積層板^{[ 32 ]}、ポリスチレンで挟んだ炭素繊維強化ポリマー積層板^{[ 33 ]}などである。

サンドイッチ構造複合材は、軽量だが厚いコアに薄くて硬い2枚のスキンを接着して作られる特殊な複合材料です。コア材料は通常、強度の低い材料ですが、厚みが増すことで、サンドイッチ複合材は全体的に低い密度で高い曲げ剛性を得ることができます。^{[ 34 ] [ 35 ]}

木材は、リグニンとヘミセルロースのマトリックス中にセルロース繊維を含む天然の複合材料です。^{[ 36 ]}エンジニアリング木材には、木質繊維板、合板、配向性ストランドボード、木材プラスチック複合材（ポリエチレンマトリックス中の再生木材繊維）、パイクレート（氷マトリックス中のおがくず）、プラスチック含浸または積層紙または繊維、アーボライト、フォーマイカ（プラスチック） 、マイカルタなど、さまざまな製品が含まれます。マライトなどの他のエンジニアリング積層複合材は、木口バルサ材を中央の芯材として使用し、軽合金またはGRPの表面スキンに接着しています。これらは、軽量で高剛性の材料を生成します。^{[ 37 ]}

粒子複合材料は、マトリックス中に充填材として粒子が分散しているもので、マトリックスはガラスやエポキシなどの非金属である場合がある。自動車用タイヤは粒子複合材料の一例である。^{[ 38 ]}

高度なダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティングされたポリマー複合材料が報告されており^{[ 39 ]}、コーティングにより表面の疎水性、硬度、耐摩耗性が向上します。

強磁性複合材料には、例えばFe系粉末のナノ結晶フィラーとポリマーマトリックスからなるポリマーマトリックスを含むものも含まれる。例えば金属ガラスから得られる非晶質およびナノ結晶粉末を使用することができる。これらを使用することで、磁気特性を制御した強磁性ナノ複合材料を得ることが可能となる。^{[ 40 ]}

繊維強化複合材料は、軽量でありながら過酷な負荷条件に耐えられる強度が必要な高性能製品において、一般的に高価であるにもかかわらず、人気が高まっています。例えば、航空宇宙部品（尾翼、翼、胴体、プロペラ）、ボートやスカルの船体、自転車のフレーム、レーシングカーのボディなどです。その他の用途としては、釣り竿、貯蔵タンク、プールのパネル、野球のバットなどがあります。ボーイング787とエアバスA350の構造（翼と胴体を含む）は、大部分が複合材料で構成されています。^{[ 41 ]}複合材料は整形外科手術の分野でも一般的になりつつあり、^{[ 42 ]}ホッケースティックの最も一般的な材料でもあります。

炭素複合材料は、今日のロケット打ち上げ機や宇宙船の再突入段階における耐熱シールドの主要材料です。太陽電池パネルの基板、アンテナ反射板、宇宙船のヨークなどに広く使用されています。また、ロケット打ち上げ機のペイロードアダプタ、段間構造、耐熱シールドにも使用されています。さらに、航空機やレーシングカーのディスクブレーキシステムには炭素／炭素複合材料が使用されており、炭素繊維と炭化ケイ素マトリックスを用いた複合材料は高級車やスポーツカーにも導入されています。

2006年、亜鉛メッキ鋼板に代わる非腐食性の素材として、住宅用および商業用の埋め込み式プール向けに、繊維強化複合材製のプールパネルが導入された。

2007年、TPI Composites IncとArmor Holdings Incによって、初の全複合材製軍用ハンヴィーが発表された。複合材を使用することで車両が軽量化され、積載量を増やすことが可能になった。^{[ 43 ]} 2008年には、ECS Compositesが炭素繊維とデュポン社のケブラー（鋼鉄の5倍の強度）を強化熱硬化性樹脂と組み合わせて軍用輸送ケースを製造し、強度が高く30%軽量化されたケースを実現した。

飲料水、消火用水、灌漑用水、海水、淡水化水、化学廃棄物、産業廃棄物、下水などの輸送に使用されるパイプや継手は、現在ではガラス繊維強化プラスチックで製造されている。

外壁用途の引張構造に使用される複合材料は、半透明であるという利点があります。織布の基布と適切なコーティングを組み合わせることで、光透過率が向上します。これにより、屋外の明るさに比べて非常に快適な照明レベルが得られます。^{[ 44 ]}

風力タービンのブレードは、近年では長さが50m程度にまで大型化しており、複合材料で製造されている。^{[ 45 ]}複合材料は、潮力タービンのブレードなどの海洋エネルギー構造物にも使用されている。^{[ 46 ]}

切断者は、カーボンファイバー複合材製の義足で、切断していない人と同じくらいの速さで走ることができる。^{[ 47 ]}

消防士が使用する高圧ガスボンベは、一般的に容量が約7～9リットル、圧力が300バール程度で、現在では炭素複合材で製造されている。タイプ4のボンベは、バルブをねじ込むためのネジ山を付けるボス部分のみが金属で構成されている。

2019年9月5日、HMD Globalはフレームにポリマー複合材を使用しているとされるNokia 6.2とNokia 7.2を発表した。 ^{[ 48 ]}

2 つの相は化学的には同等ですが、半結晶性ポリマーは定量的にも定性的にも複合材料として説明できます。結晶部分は弾性率が高く、剛性の低い非晶質相を補強します。ポリマー材料の結晶化度（体積分率）は、分子構造と熱履歴に応じて 0% から 100% まで変化します^{[ 53 ]}。物理的特性のセクションで説明されているように、これらの材料の結晶化度を変化させるために、さまざまな加工技術を使用できます。この効果は、ポリエチレン製ショッピングバッグなどの工業用プラスチックから、さまざまな機械的特性を持つ絹糸を生成するクモまで、さまざまな場所で見られます。^{[ 54 ]}多くの場合、これらの材料は、球晶として知られるランダムに分散した結晶を持つ粒子複合材料のように機能します。しかし、異方性を持つように設計して、繊維強化複合材料のように機能させることもできます。^{[ 55 ]}クモの糸の場合、材料の特性は体積分率に関係なく、結晶のサイズに依存することさえあります。^{[ 56 ]}皮肉なことに、単一成分のポリマー材料は、既知の複合材料の中で最も簡単に調整できるものの一つです。

強化材とマトリックス材は、金型内で混合、圧縮、硬化（加工）され、溶融反応を起こします。部品の形状は基本的に溶融反応後に決定されますが、特定の加工条件下では変形する可能性があります。熱硬化性ポリマーマトリックス材料の溶融反応は、余分な熱や有機過酸化物などの化学反応によって引き起こされる硬化反応です。熱可塑性ポリマーマトリックス材料の溶融反応は、溶融状態からの固化です。チタン箔などの金属マトリックス材料の溶融反応は、高圧および融点付近の温度での融合です。

多くの成形方法では、一方の金型を「下型」、もう一方の金型を「上型」と呼ぶのが適切です。下型と上型は、金型の空間的な配置ではなく、成形されたパネルの異なる面を指します。この慣例では、必ず下型があり、場合によっては上型もあります。部品の製造は、下型に材料を塗布することから始まります。下型と上型は、雄側、雌側、A面、B面、工具面、ボウル、ハット、マンドレルなどのより一般的で具体的な用語よりも、より一般的な記述子です。連続生産では、異なる命名法が使用されます。

通常、成形品はパネルと呼ばれます。特定の形状や材料の組み合わせによっては、鋳造品と呼ばれることもあります。特定の連続プロセスでは、プロファイルと呼ばれることもあります。プロセスには、オートクレーブ成形^{[ 64 ]} 、真空バッグ成形^{[ 65 ]} 、加圧バッグ成形^{[ 66 ]} 、樹脂トランスファー成形^{[ 67 ]}、軽量樹脂トランスファー成形^{[ 68 ]}などがあります。

その他の製造方法には、鋳造^{[ 69 ]}、遠心鋳造^{[ 70 ]} 、編組（型への）、連続鋳造^{[ 71 ]} 、フィラメントワインディング^{[ 72 ]}、プレス成形^{[ 73 ]} 、トランスファー成形、プルトルージョン成形^{[ 74 ]}、スリップ成形^{[ 75 ]}などがあります。また、 CNCフィラメントワインディング、真空注入、ウェットレイアップ、圧縮成形、熱可塑性成形などの成形機能もあります。一部のプロジェクトでは、硬化炉や塗装ブースの使用も必要となります。

金型および金型インサートは「ツーリング」と呼ばれます。金型／ツーリングは様々な材料で製造できます。ツーリング材料には、アルミニウム、炭素繊維、インバー、ニッケル、強化シリコーンゴム、鋼などがあります。ツーリング材料の選定は通常、熱膨張係数、想定されるサイクル数、最終製品の公差、望ましいまたは想定される表面状態、硬化方法、成形材料のガラス転移温度、成形方法、マトリックス、コスト、その他様々な考慮事項に基づいて行われますが、これらに限定されるものではありません。

一般的に、粒子強化は繊維強化よりも複合材料を強化する効果は低い。強度と靭性を高めながら複合材料の剛性を高めるために使用される。その機械的特性から、耐摩耗性が求められる用途で使用される。例えば、砂利粒子でセメントを強化すると、セメントの硬度を大幅に高めることができる。粒子強化は、低コストで簡単に実施できるため、材料の機械的特性を調整する非常に有利な方法である。^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]}

粒子強化複合材料の弾性率は次のように表される。

${\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+K_{c}V_{p}E_{p}}$

ここで、Eは弾性率、Vは体積分率である。添え字c、p、mはそれぞれ複合材料、粒子、マトリックスを示す。${\displaystyle K_{c}}$は経験的に求めることができる定数である。

同様に、粒子強化複合材料の引張強度は次のように表すことができる。

${\displaystyle (TS)_{c}=V_{m}(TS)_{m}+K_{s}V_{p}(TS)_{p}}$

ここでTSは引張強度であり、${\displaystyle K_{s}}$は定数（等しくない）${\displaystyle K_{c}}$経験的に見出すことができるもの。

短繊維は、長繊維に比べて製造コストが安かったり、製造が容易だったりすることが多いが、粒子強化材よりも優れた特性を発揮する。一般的な例としては、炭素繊維強化3Dプリンティングフィラメントが挙げられる。これは、細かく切断した短炭素繊維を、通常はPLAやPETGなどのマトリックスに混合して使用する。

せん断遅延理論は、せん断遅延モデルを用いて短繊維複合材料のヤング率などの特性を予測する。このモデルは、荷重がマトリックスから繊維へ界面せん断応力のみを介して伝達されると仮定している。$\displaystyle \tau _{i}}$円筒状の界面に作用する。せん断遅れ理論によれば、繊維に沿って移動する際の繊維内の軸方向応力の変化率は、界面せん断応力と繊維の半径の比に比例する。$\displaystyle r_0$:

$\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}=-{\frac {2\tau _{i}}{r_{0}}}}$

これにより、繊維全長にわたる平均繊維応力は次のように表される。

${\displaystyle \sigma _{f}=E_{f}\varepsilon _{1}\left(1-{\frac {\tanh(ns)}{ns}}\right)}$

どこ

• $\displaystyle \varepsilon _{1}}$は複合材料中の巨視的ひずみである。
• ${\displaystyle s}$繊維のアスペクト比（長さ÷直径）
• ${\displaystyle n=\left({\frac {2E_{m}}{E_{f}(1+\nu _{m})\ln(1/f)}}\right)^{1/2}}$は無次元定数である^{[ 83 ]}
• $\displaystyle \nu _{m}}$は行列のポアソン比です

均一な引張ひずみを仮定すると、次の結果が得られます。^{[ 84 ]}

${\displaystyle E_{1}={\frac {\sigma _{1}}{\varepsilon _{1}}}=fE_{f}\left(1-{\frac {\tanh(ns)}{ns}}\right)+(1-f)E_{m}}$

sが大きくなるにつれて、これは混合則に近づく傾向があり、これは連続繊維に平行なヤング率を表します。

一般的に、連続繊維強化は、繊維を強固な相として弱い相であるマトリックスに組み込むことによって実現されます。繊維の使用が人気な理由は、繊維状では並外れた強度を持つ材料が得られるためです。非金属繊維は、結合が共有結合であるため、金属繊維に比べて強度対密度比が非常に高いのが一般的です。その最も有名な例は炭素繊維で、スポーツ用品から保護具、宇宙産業まで、多くの用途があります。^{[ 85 ] [ 86 ]}

複合材料にかかる応力は、繊維とマトリックスの体積分率を用いて表すことができる。

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}+V_{m}\sigma _{m}}$

どこ${\displaystyle \sigma }$は応力、Vは体積率です。添え字c、f、mはそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを示します。

繊維複合材料の応力-ひずみ挙動は試験によってのみ決定できますが、応力-ひずみ曲線には3つの段階という予想される傾向があります。最初の段階は、繊維とマトリックスの両方が弾性変形する応力-ひずみ曲線の領域です。この線形弾性領域は、次の形式で表すことができます。^{[ 85 ]}

${\displaystyle \sigma _{c}=E_{c}\epsilon _{c}=\epsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

どこ${\displaystyle \sigma }$ストレスとは、${\displaystyle \epsilon }$はひずみ、Eは弾性率、Vは体積率です。添え字c、f、mはそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを表します。

繊維とマトリックスの両方が弾性領域を通過した後、応力-ひずみ曲線の第2領域が観察される。第2領域では、マトリックスは弱い相であるため、繊維は弾性変形しているが、マトリックスは塑性変形している。第2領域における応力-ひずみ曲線の傾きを用いて、瞬間弾​​性率を決定できる。応力とひずみの関係は次のように表される。

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

どこ${\displaystyle \sigma }$ストレスとは、${\displaystyle \epsilon }$ここで、 はひずみ、 E は弾性率、 V は体積率です。添え字 c、f、m はそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを示します。第 2 領域の弾性率を求めるには、曲線の傾きが弾性率に等しいため、この式の微分を使用できます。

${\displaystyle E_{c}'={\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}\right)}$

ほとんどの場合、${\displaystyle E_{c}'=V_{f}E_{f}}$第２項は第１項よりはるかに小さいので。^{[ 85 ]}

実際には、繊維とマトリックス間の結合相互作用のため、ひずみに対する応力の微分は必ずしも弾性率を返さない。これら2つの相間の相互作用の強さは、複合材料の機械的特性の変化をもたらす可能性がある。繊維とマトリックスの適合性は、内部応力の尺度である。^{[ 85 ]}

共有結合した高強度繊維（例えば炭素繊維）は、転位運動によって塑性変形が生じるため、破壊前に主に弾性変形を起こします。一方、金属繊維は塑性変形する余地が大きいため、その複合材料は繊維とマトリックスの両方が塑性変形する第3段階を示します。金属繊維は極低温での動作に多くの用途があり、これは金属繊維を含む複合材料が非金属繊維を含む複合材料よりも優れている点の1つです。応力-ひずみ曲線のこの領域における応力は、次のように表すことができます。

${\displaystyle \sigma _{c}(\epsilon _{c})=V_{f}\sigma _{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

どこ${\displaystyle \sigma }$ストレスとは、${\displaystyle \epsilon }$はひずみ、Eは弾性率、Vは体積率です。添え字c、f、mはそれぞれ複合材料、繊維、マトリックスを表します。${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c})}$そして${\displaystyle \sigma _{m}(\epsilon _{c})}$はそれぞれ繊維とマトリックスの流動応力を表します。第 3 領域の直後、複合材はネッキングを示します。複合材のネッキングひずみは、他の複合材の機械的特性と同様に、繊維とマトリックスのネッキングひずみの間にあります。弱い相のネッキングひずみは強い相によって遅延されます。遅延の量は、強い相の体積分率に依存します。^{[ 85 ]}

したがって、複合材料の引張強度は体積分率で表すことができる。^{[ 85 ]}

${\displaystyle (TS)_{c}=V_{f}(TS)_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{m})}$

ここでTSは引張強度であり、${\displaystyle \sigma }$ストレスとは、${\displaystyle \epsilon }$はひずみ、Eは弾性率、Vは体積率です。添え字c、f、mはそれぞれ複合材、繊維、マトリックスを示します。複合材の引張強度は次のように表すことができます。

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}}$のために${\displaystyle V_{f}}$以下${\displaystyle V_{c}}$（体積分率の任意の臨界値）

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}(\sigma _{m})}$のために${\displaystyle V_{f}}$以上${\displaystyle V_{c}}$

体積分率の臨界値は次のように表すことができます。

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}+(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

明らかに、複合材料の引張強度はマトリックスよりも高くなる可能性がある。${\displaystyle (T.S.)_{c}}$より大きい${\displaystyle (T.S.)_{m}}$。

したがって、繊維の最小体積率は次のように表すことができる。

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

この最小値は実際には非常に低いものの、連続繊維を組み込む理由は材料/複合材料の機械的特性を向上させるためであり、この体積分率の値はこの改善の閾値であるため、知っておくことは非常に重要です。^{[ 85 ]}

複合材料は一般的に異方性であり、多くの場合直交異方性である。Voigt表記法は、剛性テンソルのランクを下げて、${\displaystyle C}$（しばしば次のようにも呼ばれる）${\displaystyle Q}$）およびコンプライアンス${\displaystyle S}$行列として記述できます: ^{[ 92 ]}

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16}\\C_{12}&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26}\\C_{13}&C_{23}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36}\\C_{14}&C_{24}&C_{34}&C_{44}&C_{45}&C_{46}\\C_{15}&C_{25}&C_{35}&C_{45}&C_{55}&C_{56}\\C_{16}&C_{26}&C_{36}&C_{46}&C_{56}&C_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}$そして${\displaystyle {\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}S_{11}&S_{12}&S_{13}&S_{14}&S_{15}&S_{16}\\S_{12}&S_{22}&S_{23}&S_{24}&S_{25}&S_{26}\\S_{13}&S_{23}&S_{33}&S_{34}&S_{35}&S_{36}\\S_{14}&S_{24}&S_{34}&S_{44}&S_{45}&S_{46}\\S_{15}&S_{25}&S_{35}&S_{45}&S_{55}&S_{56}\\S_{16}&S_{26}&S_{36}&S_{46}&S_{56}&S_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}}$

各層を個別に検討する場合、それらは一枚の積層板として扱うことができると仮定され、面外応力とひずみは無視できる。つまり、${\displaystyle \sigma _{3}=\sigma _{4}=\sigma _{5}=0}$そして${\displaystyle \varepsilon _{4}=\varepsilon _{5}=0}$[ ^{93 ]これにより、}剛性行列とコンプライアンス行列を次のように3x3行列に縮小することができます。

${\displaystyle C={\begin{bmatrix}{\tfrac {E_{\rm {1}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\0&0&G_{\rm {12}}\\\end{bmatrix}}\quad }$そして${\displaystyle \quad S={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {21}}}{E_{\rm {2}}}}&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {12}}}{E_{\rm {1}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {2}}}}&0\\0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {12}}}}\\\end{bmatrix}}}$

繊維強化複合材料の場合、材料中の繊維配向は構造の異方性特性に影響を与えます。特性評価手法、すなわち引張試験から、材料特性はサンプル（1-2）座標系に基づいて測定されました。上記のテンソルは（1-2）座標系における応力-ひずみ関係を表します。一方、既知の材料特性は材料の主座標系（xy）にあります。2つの座標系間でテンソルを変換することで、試験サンプルの材料特性を特定できます。変換行列は${\displaystyle \theta }$回転角度は^{[ 93 ]}

${\displaystyle T(\theta )_{\epsilon }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-\cos \theta \sin \theta \\-2\cos \theta \sin \theta &2\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$のために${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\epsilon }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\epsilon }{\begin{bmatrix}\epsilon \end{bmatrix}}}$${\displaystyle T(\theta )_{\sigma }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &2\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-2\cos \theta \sin \theta \\-\cos \theta \sin \theta &\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$のために${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\sigma }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\sigma }{\begin{bmatrix}\sigma \end{bmatrix}}}$

産業界で最も一般的に使用されている繊維の種類は、製造の容易さと入手しやすさから、ガラス繊維、炭素繊維、ケブラーです。これらの繊維の機械的特性を知ることは非常に重要なので、S97鋼と比較するために、機械的特性の表を以下に示します。^{[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]}繊維の配向角は、繊維複合材料の異方性のため非常に重要です（詳細については、 「物理的特性」のセクションを参照してください）。複合材料の機械的特性は、複合材料内の繊維の配向に対してさまざまな角度（標準角度は0°、45°、90°）にサンプルを配置することにより、標準的な機械的試験方法を使用してテストできます。一般に、0°の軸方向の配向は、複合材料を縦方向の曲げと軸方向の引張/圧縮に耐性のあるものにし、90°の周方向の配向は、内部/外部圧力に対する耐性を得るために使用され、±45°は、純粋なねじりに対する耐性を得るための理想的な選択肢です。^{[ 98 ]}

衝撃、速度の異なる衝突、または繰り返しの周期的応力によって、積層材が2つの層間の界面で分離する可能性があり、この状態は層間剥離として知られています。^{[ 101 ] [ 102 ]}個々の繊維がマトリックスから分離する可能性があり、たとえば、繊維の引き抜きがあります。

複合材料は、巨視的スケールでも微視的スケールでも破損する可能性があります。圧縮破損は、巨視的スケールでも、圧縮座屈による個々の強化繊維の破損でも発生する可能性があります。引張破損は、部品の断面全体の破損、または複合材料の微視的スケールでの劣化として発生する可能性があり、後者の場合、複合材料の1つ以上の層がマトリックスの引張破壊、またはマトリックスと繊維間の結合破壊によって破損します。

複合材料の中には脆く、初期破壊発生後の予備強度がほとんどないものもあれば、大きな変形を起こし、損傷発生後もエネルギー吸収能力が残るものもある。使用可能な繊維とマトリックスの種類、およびブレンドによって作ることができる混合物の種類によって、複合構造に設計できる特性の範囲は非常に広くなる。脆性セラミックマトリックス複合材料の最も有名な破壊例は、スペースシャトル・コロンビアの翼前縁の炭素-炭素複合タイルが離陸時の衝撃で破損した際に発生した。これは、2003年2月1日に宇宙船が大気圏に再突入した際の壊滅的な分解につながった。

複合材料は金属に比べて、比較的耐荷重性が劣る。

もう1つの破壊モードは繊維の引張破壊であり、繊維が荷重方向と整列している場合に発生しやすくなります。また、引張強度がマトリックスの引張強度を超えると仮定すると、繊維の引張破壊の可能性も高くなります。繊維に角度θのずれがある場合、いくつかの破壊モードが発生する可能性があります。θの値が小さい場合、繊維の断面積(A cos θ)の増加と繊維が受ける力(F/ cos θ)の減少により、破壊を開始するために必要な応力は⁽ cos θ) −2倍に増加し、複合材の引張強度はσ _parallel / cos ² θになります。ここで、σ _parallelは、繊維が印加力と平行に整列した複合材の引張強度です。

中間的なミスオリエンテーション角θでは、マトリックスのせん断破壊が発生します。ここでも断面積は変化しますが、せん断応力が破壊の駆動力となるため、繊維に平行なマトリックスの面積が重要となり、1/sin θ倍に増加します。同様に、この面積に平行な力も再び減少し（F/ cos θ）、結果として引張強度はτ _my / sin  θ cos  θとなります。ここでτ _myはマトリックスのせん断強度です。

最後に、θ の値が大きい場合 (π/2 に近い場合) は、繊維が荷重の大部分を支えなくなるため、横方向のマトリックス破壊が最も起こりやすくなります。それでも、繊維に垂直な力は 1/sin θ の係数で減少し、面積も 1/sin θ の係数で減少するため、引張強度は完全に垂直な方向の場合よりも大きくなります。これにより、複合材の引張強度はσ _perp / sin ² θ となります。ここで、σ _perpは、繊維が加えられた力に垂直に並んだ複合材の引張強度です。^{[ 103 ]}

複合材は、故障の予測と防止に役立てるため、建設前と建設後にテストされます。建設前のテストでは、曲面の層ごとの解析や、複合材のしわ、圧着、くぼみの予測のために有限要素解析（FEA）が採用される場合があります。^{[ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ]}材料は、製造中および建設後に、超音波、サーモグラフィ、シアログラフィ、X線ラジオグラフィなどのさまざまな非破壊検査法^{[ 109 ]}、および局所領域の相対的な接着強度の完全性の非破壊検査のためのレーザー接着検査によってテストされる場合があります。