補強材（複合材）

材料科学において、強化材は複合材料の構成要素であり^[1]、複合材料の剛性と引張強度を高めます。

複合材料における補強材の機能は以下の通りである。^[2]

• 複合材料の機械的特性が向上します。
• 補強材が繊維の長さに沿って荷重を支えるため、複合材に一方向の強度と剛性がもたらされます。

亀裂の伝播は大幅に防止され、補強材によって通常は剛性が追加されます。細い繊維は非常に高い強度を持つことができ、マトリックスに機械的に結合していれば複合材料の全体的な特性を大幅に向上させることができます。

繊維強化複合材には、短繊維強化と連続繊維強化の2種類があります。シート成形や圧縮成形では通常、長繊維と短繊維が使用されます。これらは、チップ、フレーク、ランダムメイト（連続繊維をランダムに重ねて、ラミネート/プライの希望の厚さになるまで製造することもできます）の形で入手できます。^[3]

積層構造または層状構造は、通常、連続強化材料で構成されます。連続繊維および織物繊維スタイルは、通常、所定のマトリックス (樹脂) があらかじめ含浸された、乾いた、さまざまな幅の単方向テープ、平織り、ハーネスサテン、編み込み、ステッチなど、さまざまな形で利用できます。

補強材には、炭素繊維、セルロース（木材/紙繊維、わら）、ガラス繊維、アラミドなどの高強度ポリマーなどの一般的な繊維が使用されます。高温用途では、シリコンカーバイド繊維が使用されます。^[4]

粒子強化は金属やセラミックスの析出硬化と同様の効果をもたらします。大きな粒子は転位の移動や亀裂の進行を防ぎ、複合材料のヤング率にも寄与します。一般的に、粒子強化によるヤング率への影響は、以下の式で予測される値と、

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

下限として

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

上限として。

したがって、これはマトリックスからの寄与と粒子からの重み付けされた寄与の線形結合として表現できます。

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

ここで、K _{c は}0 から 1 の間の実験的に導き出された定数です。K _cのこの値の範囲は、粒子強化複合材料が等ひずみ条件によって特徴付けられないことを反映しています。

同様に、引張強度も同様の構造の式でモデル化することができ、K _sは同様に制限された定数であるが、必ずしもK _{cと同じ値である必要はない}^[5]

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

_KcとKs_の真の値は、粒子の形状、粒子分布、粒子/マトリックス界面などの要因によって異なります。これらのパラメータがわかれば、粒界強化、転位強化、オロワン強化の効果に基づいて機械的特性をモデル化できます。^[6]

最も一般的な粒子強化複合材はコンクリートで、これは砂利と砂の混合物で、通常は小石や砂を加えて強化されています。金属は延性を犠牲にして強度を高めるためにセラミックで強化されることがよくあります。最後に、ポリマーとゴムは、自動車のタイヤによく使用されるカーボンブラックで強化されることがよくあります。^[7]