サンドイッチ構造複合材

1)材料科学において、サンドイッチ構造複合材は、2 つの薄くて硬い外皮を軽量で厚い芯材に取り付けて製造される特殊な複合材料です。芯材は通常強度が低いですが、その厚みにより、サンドイッチ複合材は全体的に密度が低く、高い曲げ剛性を備えています。

2)ポリエーテルサルフォン、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ポリエチレンまたはポリスチレンフォーム、バルサ材、シンタクチックフォーム、ハニカムなどのオープンセルおよびクローズドセル構造のフォームは、コア材料としてよく使用されます。強度を高めるために、ハニカム構造に他のフォームを充填することもあります。オープンセルおよびクローズドセルの金属フォームもコア材料として使用できます。

3)ガラス繊維または炭素繊維強化熱可塑性プラスチック、または主に熱硬化性ポリマー（不飽和ポリエステル、エポキシなど）の積層体が表皮材として広く使用されています。場合によっては、金属板も表皮材として使用されます。

コアは接着剤でスキンに接着されるか、金属部品とろう付けして接合されます。

サンドイッチ構造における重要な発展の概要を以下に示します。^[1]

• 紀元前230年、 アルキメデスはてこの法則と密度を計算する方法を説明しました。
• 紀元前25年、 ウィトルウィウスはローマのトラス屋根構造における材料の効率的な使用について報告しました。
• 1493 レオナルド・ダ・ヴィンチが三点曲げにおける中立軸と荷重たわみの関係を発見。
• 1570年、 パラディオはせん断変形を防ぐために斜めの梁を備えたトラス梁構造を発表した。
• 1638 ガリレオ・ガリレイは、管と固体棒の効率性について説明しました。
• 1652年、ウェンデリン・シルトクネヒトは、湾曲した木製の梁の補強材を使用したサンドイッチ梁構造について報告しました。
• 1726年、 ヤコブ・ロイポルドは圧縮荷重を受けた屋根を持つ管状の橋を記録した。
• 1786年、 ヴィクトル・ルイはパリのパレ・ロワイヤルのギャラリーに鉄のサンドイッチ梁を使用しました。
• 1802年、 ジャン＝バティスト・ロンドレはスペーサー付きの梁のサンドイッチ効果を分析し、文書化しました。
• 1820年、アルフォンス・デュローがサンドイッチ構造の慣性モーメントを発見し、発表した。
• 1830年、 ロバート・スティーブンソンは鉄板で覆われた木材のサンドイッチビームフレームを使用してプラネット機関車を製造した。
• 1914年、R. HöflerとS. Renyiが、構造用途におけるハニカム構造の最初の特許を取得しました。
• 1915年、 ヒューゴ・ユンカースが航空機用の最初のハニカムコアの特許を取得。
• 1934年、エドワード・G・バッドは波形金属板から溶接された鋼鉄ハニカムサンドイッチパネルの特許を取得しました。
• 1937年、 クロード・ドルニエは、プラスチック状態のスキンをコアセル壁に押し付けたハニカムサンドイッチパネルの特許を取得しました。
• 1938年、ノーマン・デ・ブリュインがハニカムサンドイッチ構造の構造接着接合の特許を取得。
• 1940年、デ・ハビランド ・モスキートは、バルサ材の芯材と合板の外板を組み合わせたサンドイッチ複合材で製造されました。^[2]

金属複合材料（MCM）は、制御された圧力、熱、張力の下で連続プロセスでプラスチックコアに結合した2つの金属の薄いスキンで形成されたサンドイッチの一種です。^[3]

リサイクル紙は、クローズドセルリサイクルクラフトハニカムコアの上にも使用され、軽量で強度があり、完全に再パルプ化可能な複合ボードが作られています。この材料は、店頭ディスプレイ、隔壁、リサイクル可能なオフィス家具、展示スタンド、壁の仕切り、テラスボードなどの用途に使用されています。^[4]

異なるパネルを固定するために、他のソリューションの中でも、通常は遷移ゾーンが使用されます。遷移ゾーンでは、2 つのファイバー スキンが接触するまで、コアの高さが徐々に減少します。この場所では、ボルト、リベット、または接着剤を使用して固定できます。

コアの種類とコアがスキンを支持する方法に関して、サンドイッチ構造は、均質支持、局所支持、地域支持、一方向支持、双方向支持の以下のグループに分けられます。^{[5]後者のグループは}ハニカム構造によって代表され、最適な性能対重量比のため、航空宇宙を含む最も要求の厳しい用途で一般的に使用されています。

複合材料の強度は主に次の 2 つの要因に依存します。

1. 外板: サンドイッチ構造が両側で支えられ、梁の中央に下向きの力がかかると、曲げモーメントによって材料にせん断力が生じます。せん断力によって、下側の外板は張力を受け、上側の外板は圧縮されます。コア材は、この 2 つの外板を離します。コア材が厚いほど、複合材は強くなります。この原理は、I ビームとほぼ同じように機能します。^[6]
2. コアとスキンの界面:複合材料のせん断応力はコアとスキンの間で急速に変化する ため、接着層にもある程度のせん断力が加わります。2 つの層間の接着結合が弱すぎると、最も起こりやすい結果は層間剥離です。スキンとコアの界面の破損は重大であり、最も一般的な損傷モードです。この損傷が界面を介して伝播するか、スキンまたはコアに侵入するかは、せん断成分によって決まります。^[7]

サンドイッチ構造はサンドイッチパネルに広く使用されており、FRPサンドイッチパネル、アルミニウム複合パネルなどのさまざまなタイプがあります。 FRPポリエステル強化複合ハニカムパネル（サンドイッチパネル）は、ポリエステル強化プラスチック、多軸高強度ガラス繊維、PPハニカムパネルを特殊な滑り止めトレッドパターン金型で恒温真空吸着・凝集・凝固のプロセスを経て作られています。

サンドイッチ理論^{[8] [9]は、} 2つの表面シートと1つのコアの3つの層で構成される梁、プレート、またはシェルの挙動を説明します。最も一般的に使用されるサンドイッチ理論は線形であり、一次梁理論の拡張です。線形局所座屈サンドイッチ理論は、サンドイッチプレートまたはサンドイッチパネルの設計と解析に重要であり、建築、車両、航空機、冷凍工学で使用されます。

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