繊維強化複合材

繊維強化複合材（FRC）は、3つの成分からなる複合建築材料である。 ^{[1] [2]}

1. 繊維を不連続相または分散相として、
2. マトリックスを連続相として、
3. 微細な界面領域（インターフェースとも呼ばれる）。

これは、籾殻、もみ殻、米殻、プラスチックを原料とする先進複合材グループの一種です。この技術は、セルロース廃棄物から天然繊維を精製、ブレンド、合成し、ポリマーマトリックス内に高強度繊維複合材料を形成する方法です。この場合に使用される指定廃棄物または基本原材料は、廃棄熱可塑性プラスチックと、籾殻やおがくずを含むさまざまなカテゴリーのセルロース廃棄物です。

FRC は、独自の分子再エンジニアリング プロセスを通じてセルロース繊維分子と FRC 材料マトリックス内の樹脂を架橋することで実現可能となった高性能繊維複合材であり、優れた構造特性を持つ製品を生み出します。

この分子再エンジニアリングの偉業により、木材の特定の物理的および構造的特性がうまく複製され、FRC 製品に組み込まれ、さらに他の重要な属性も付与され、現代の木材よりも優れた性能特性が生み出されます。

この材料は、他の複合材料とは異なり、最大 20 回までリサイクルできるため、FRC スクラップを何度も再利用できます。

FRC材料の破壊メカニズムには、層間剥離、層内マトリックス亀裂、縦方向マトリックス分裂、繊維/マトリックス剥離、繊維引き抜き、繊維破壊などがある。^[1]

木材プラスチック複合材と繊維強化複合材の違い:

複合材料の引張挙動を説明する際に使用される個々の相特性の適切な「平均」は、図6.2を参照して説明することができます。

この図は板状の複合材料を示していますが、以下の結果は同様の相配置を持つ繊維複合材料にも同様に当てはまります。

図6.2の材料は、それぞれ厚さとのラメラと相で構成されています。そして、相の体積分率( 、 )は、それぞれおよびです。 ${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle l_{\alpha}}$${\displaystyle l_{\beta}}$${\displaystyle V_{\alpha}}$${\displaystyle V_{\beta}}$${\displaystyle V_{\alpha }={\frac {l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$${\displaystyle V_{\beta }={\frac {l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$

ケースI: 同じストレス、異なる歪み

引張力 F は、各相の広い面（寸法 Lx L）に対して垂直に適用されます。この配置では、各相が受ける応力（= F/ ）は同じですが、各相が受けるひずみ（、）は異なります。合成ひずみは、個々の相のひずみの体積加重平均です。 ${\displaystyle L^{2}}$${\displaystyle \varepsilon _{\alpha }}$${\displaystyle \varepsilon _{\beta }}$

${\displaystyle \vartriangle l_{\alpha }=\varepsilon _{\alpha }l_{\alpha }}$、${\displaystyle \vartriangle l_{\beta }=\varepsilon _{\beta }l_{\beta }}$

複合材料の全伸びは次のように得られる。${\displaystyle \vartriangle l_{c}}$${\displaystyle \vartriangle l_{c}=N\vartriangle l_{\alpha }+N\vartriangle l_{\beta }}$

そして合成ひずみは、= = =${\displaystyle \varepsilon _{c}}$${\displaystyle \varepsilon _{c}}$${\displaystyle {\frac {\vartriangle l_{c}}{N(l_{\alpha }+l_{\beta })}}}$${\displaystyle V_{\alpha }\varepsilon _{\alpha }+V_{\beta }\varepsilon _{\beta }}$${\displaystyle \sigma {\biggl (}{\frac {V_{\alpha }}{E_{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}{\biggr )}}$

複合係数${\displaystyle E_{c}={\frac {E_{\alpha }E_{\beta }}{V_{\alpha }E_{\beta }+V_{\beta }E_{\alpha }}}}$

ケース II: 異なるストレス、同じひずみ

引張軸に平行に配列された繊維では、両相のひずみは等しい（複合ひずみと同じ）が、外力は分割される。

フェーズ間で不均等です。${\displaystyle F=F_{\alpha }+F_{\beta }=NL(\sigma _{\alpha }l_{\alpha }+\sigma _{\beta }l_{\beta })}$

${\displaystyle \sigma _{c}=\left({\frac {\sigma _{\alpha }l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}+{\frac {\sigma _{\beta }l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}\right)=\sigma _{\alpha }V_{\alpha }+\sigma _{\beta }V_{\beta }}$

${\displaystyle E_{c}=V_{\alpha }E_{\alpha }+V_{\beta }E_{\beta }}$

繊維がマトリックスの方向と平行に並べられ、同じひずみの場合として荷重が加えられた場合。繊維とマトリックスには、体積分率、応力、ひずみ、弾性率、 があります。そして、ここで= =です。繊維複合材料の一軸応力-ひずみ応答は、いくつかの段階に分けることができます。 ${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle V_{m}}$${\displaystyle \sigma _{f}}$${\displaystyle \sigma _{m}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{m}}$${\displaystyle E_{f}}$${\displaystyle E_{m}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{c}}$

ステージ1では、繊維とマトリックスの両方が弾性変形する場合、応力とひずみの関係は ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}E_{m}\varepsilon _{m}=\varepsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}}$

ステージ2では、繊維の応力が降伏応力よりも大きくなり、マトリックスが塑性変形し始め、繊維がまだ弾性である場合、応力とひずみの関係は

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

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

ステージ3では、マトリックスと繊維の両方が塑性変形し、応力とひずみの関係は

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

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

一部の繊維は破壊前に永久的に変形しないため、一部の複合材料ではステージ 3 を観察できません。

ステージ4では、繊維がすでに破断し、マトリックスがまだ塑性変形している場合、応力とひずみの関係は

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})}$

ただし、破損した繊維が依然としてある程度の負荷を負担できるため、これは完全に真実ではありません。

不連続繊維（長さによってはウィスカーとも呼ばれる）の場合、繊維とマトリックスの界面に沿って発生するせん断応力によって、マトリックスから繊維に引張力が伝達されます。

マトリックスの変位は、繊維の中間点でゼロで、界面に沿った繊維の端で最大になります。変位により、繊維の引張応力とバランスが取れた界面せん断応力が発生します。は繊維の直径で、は繊維の端からの距離です。 ${\displaystyle \tau _{m}}$${\displaystyle \sigma _{f}}$${\displaystyle d_{f}}$${\displaystyle x}$

${\displaystyle \tau _{m}(\pi d_{f})dx=\left({\frac {\pi d_{f}^{2}}{4}}\right)d\sigma _{f}}$

${\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}={\frac {4\tau _{m}}{d_{f}}}}$

非常に小さなひずみが発生すると、繊維端のせん断応力の大きさが大きくなり、繊維とマトリックスの剥離またはマトリックスの塑性せん断という 2 つの状況が発生します。

マトリックスに塑性せん断がある場合、界面せん断応力 となります。すると、ある一定の 後、が一定のままで等ひずみ条件での応力 に等しくなる 臨界長さが存在します。${\displaystyle \tau _{m}\leq \tau _{my}}$${\displaystyle l_{c}}$${\displaystyle l>l_{c}}$${\displaystyle x}$${\displaystyle \sigma _{f}}$

${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})=2{\frac {\tau _{my}l_{c}}{d_{f}}}}$

${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}={\frac {\sigma _{f}(\varepsilon _{c})}{2\tau _{my}}}}$

この比率は「臨界アスペクト比」と呼ばれます。この比率は複合材料のひずみとともに増加します。複合材料の破断時に繊維の中点が等ひずみ条件まで応力を受けるためには、その長さは少なくとも である必要があります。 ${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}}$${\displaystyle \varepsilon _{c}}$${\displaystyle d_{f}\sigma _{f}^{tensile}/2\tau _{my}}$

次に平均応力を計算します。応力を受ける繊維長の割合は です。残りの割合は平均応力を受けます。 ${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})}$${\displaystyle {\frac {l-l_{c}}{l}}}$${\displaystyle {\frac {l_{c}}{l}}}$${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})/2}$

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}=\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{l}}\right)\right]+{\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l_{c}}{l}}\right)=\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]\quad l\geq l_{c}}$

の場合、平均応力はとなります。 ${\displaystyle l<l_{c}}$${\displaystyle \sigma _{m}ax/2}$${\displaystyle \sigma _{m}ax=2\tau _{my}l/d_{f}}$

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}={\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{l_{c}}}\right)\quad l\leq l_{c}}$

合成応力は次のように変更されます。

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\geq l_{c}}$

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{2l_{c}}}\right)+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\leq l_{c}}$

上記の式は、繊維が荷重の方向に沿って整列していると仮定しています。修正混合則は、繊維の不整列による強度の低下を考慮した配向効率係数を含む複合材料の強度を予測するために使用できます。^[3]${\displaystyle \eta _{0}}$

${\displaystyle \sigma _{c}(\varepsilon )=V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon )+\eta _{0}\eta _{f}V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon )}$

ここで、は繊維効率係数で、の場合はに等しく、の場合は に等しい。繊維が荷重方向と完全に一直線になっている場合、は 1 である。しかし、 ランダム配向の場合の の一般的な値は、面内2次元配列では約0.375、3次元配列では約0.2である。^[3]${\displaystyle \eta _{f}}$${\displaystyle {\frac {l}{2l_{c}}}}$${\displaystyle l\leq l_{c}}$${\displaystyle \left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]}$${\displaystyle l>l_{c}}$${\displaystyle \eta _{0}}$${\displaystyle \eta _{0}}$

不連続繊維の長さが（通常は）短い臨界長さよりはるかに長い場合、不連続繊維によってかなりの強化が得られます。MMC など。

繊維マトリックス剥離がある場合、は摩擦応力に置き換えられます。ここで、はマトリックスと繊維間の摩擦係数、 は内部圧力です。 ${\displaystyle \tau _{my}}$${\displaystyle \mu P}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle P}$

${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}={\frac {\sigma _{f}(\varepsilon _{c})}{2\mu P}}}$

これはほとんどの樹脂ベースの複合材料で発生します。

繊維の長さが 10 未満の複合材料は、強度にほとんど貢献しません。ただし、複合材料の破壊時に、短い繊維は破壊しません。代わりに、マトリックスから引き抜かれます。繊維の引き抜きに関連する作業は、破壊作業に追加の要素を提供し、靭性に大きく貢献します。 ${\displaystyle l_{c}}$

市場には、廃棄物のみを利用する用途もあります。最も広く使用されているのは屋外デッキの床ですが、手すり、フェンス、造園用木材、外装材、サイディング、公園のベンチ、モールディング、トリム、窓枠、ドア枠、屋内家具にも使用されています。たとえば、Waste for Lifeの活動をご覧ください。この団体は、ゴミ収集組合と協力して、メンバーが収集した廃棄物から繊維強化建築資材や家庭ごみを製造しています。Waste for Life のホームページを ご覧ください。

自動車産業で使用される可能性のある強化ポリマー複合材料に天然繊維を採用することは、持続可能な廃棄物管理の開発に大きく貢献する可能性があります。^[4]

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• 破壊力学
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• 木材プラスチック複合材
• 繊維強化プラスチック

3. Thomas H. Courtney.「材料の機械的挙動」第 2 版。Waveland Press, Inc. 2005 年。ISBN 1-57766-425-6