プレス金属複合材料とは

1、定義

複合材料は人々が先進的な材料製造技術を用いて異なる性質の材料成分を最適化して組み合わせた新しい材料である。一般的に定義されている複合材料は、次の条件を満たす必要があります。

（i）複合材料は人工的でなければならず、必要に応じて設計製造された材料である。

（ii）複合材料は2種類以上の化学的、物理的性質の異なる材料成分から、設計された形式、割合、分布で組み合わせられ、各成分の間に明らかな界面が存在する、

（iii）構造設計性を有し、複合構造設計を行うことができる、

（iv）複合材料は各成分の材料性能の利点を保持するだけでなく、各成分の性能の相補性と相関によって単一組成材料では達成できない総合性能を得ることができる。

複合材料の基材には金属と非金属の2つの大きな種類がある。金属基体には、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタン及びその合金がよく用いられる。非金属基体には主に合成樹脂、ゴム、セラミックス、黒鉛、炭素などがある。補強材は主にガラス繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、アスベスト繊維、ウィスカ、金属である。

2、分類

複合材料は混合物である。多くの分野で大きな役割を果たし、多くの伝統的な材料に取って代わった。複合材料はその組成によって金属と金属複合材料、非金属と金属複合材料、非金属と非金属複合材料に分けられる。構造上の特徴によって、次のように分けられます。

①繊維強化複合材料。各種繊維強化体を基材内に配置して複合したものである。繊維強化プラスチック、繊維強化金属など。

②サンドイッチ複合材料。性質の異なる表面材料と芯材を組み合わせたもの。通常、面材は強度が高く、薄い、コアの材質は軽く、強度は低いが、剛性と厚みがある。ソリッド中間層とハニカム中間層の2種類に分けられる。

③細粒複合材料。硬質微粒子を分散強化合金、金属セラミックスなどのマトリックス中に均一に分布させる。

④複合材料を混ぜる。2種以上の補強相材料が1種のマトリックス相材料に混在して構成されている。通常の単強化相複合材料に比べて、その衝撃強度、疲労強度と破断靭性は著しく向上し、特殊な熱膨張性能を有する。層内混雑、層間混雑、サンドイッチ混雑、層内/層間混雑、超混雑複合材料に分けられる。

複合材料は主に構造複合材料と機能複合材料の2種類に分けることができる。

構造複合材料は支持力構造として使用される材料であり、基本的には荷重に耐えられる補強体要素と連結補強体が全体材料になると同時に伝達力の役割を果たす基体要素から構成される。補強体としては、各種のガラス、セラミックス、炭素、高重合体、金属及び天然繊維、織物、ウィスカ、シート及び粒子などが挙げられ、基体としては高重合体（樹脂）、金属、セラミックス、ガラス、炭素及びセメントなどが挙げられる。異なる補強体と異なるマトリックスから多くの構造複合材料を構成することができ、使用されるマトリックス、例えば高重合体（樹脂）基複合材料などを命名することができる。構造複合材料の特徴は材料の使用中に力を受ける要求に基づいて組要素選材設計を行うことができ、さらに重要なことは複合構造設計を行うことができ、すなわち補強体配置設計は、合理的に需要を満たし、材料を節約することができる。

機能複合材料は一般的に機能体要素と基体要素から構成され、基体は全体を構成する役割を果たすだけでなく、協同あるいは機能を強化する役割を果たすことができる。機能複合材料とは、機械的性質以外の物理的性質を提供する複合材料を指す。例えば：導電、超伝導、半導電、磁性、圧電、減衰、吸波、透波、摩擦、遮蔽、難燃、防熱、吸音、断熱などはある機能を際立たせている。総称して機能複合材料と呼ぶ。機能複合材料は主に機能体と補強体と基体からなる。機能体は、1つ以上の機能材料からなることができる。多機能体の複合材料は、様々な機能を有することができる。また、複合効果によって新たな機能が生まれる可能性もあります。多機能複合材料は機能複合材料の発展方向である。

複合材料は常用と先進の2種類に分けることもできる。

ガラス鋼などの一般的な複合材料は、ガラス繊維などの性能が低い補強体と一般的な高重合体（樹脂）で構成されている。その価格が安く、大量に発展したため、船舶、車両、化学工業パイプライン、貯蔵タンク、建築構造、スポーツ用品などに広く使われている。

先進的な複合材料とは、炭素繊維、アラミドなどの高性能強化体を用いて構成された複合材料を指し、その後、金属基、陶磁器基、炭素（黒鉛）基および機能複合材料を含む。それらの性能は優れているが、価格は比較的高く、主に国防工業、航空宇宙、精密機械、深海潜水器、ロボット構造物、高級スポーツ用品などに使用されている。

3、応用

複合材料の主な応用分野は：

①航空宇宙分野。複合材料は熱安定性がよく、比強度、比剛性が高いため、航空機の翼と前胴体、衛星アンテナ及びその支持構造、太陽電池の翼と殻、大型キャリアロケットの殻、エンジンの殻、スペースシャトル構造物などの製造に用いることができる。

②自動車工業。複合材料は特殊な振動減衰特性を持ち、騒音を減衰し、低減でき、疲労抵抗性能がよく、損傷後の修理が容易で、全体の成形に便利であるため、自動車車体、受力部材、伝動軸、エンジンフレーム及びその内部部材の製造に用いることができる。

③化学工業、紡績及び機械製造分野。良好な耐食性を有する炭素繊維と樹脂基体を複合した材料は、化学工業設備、紡績機、製紙機、複写機、高速工作機械、精密機器などの製造に用いることができる。

④医学分野。炭素繊維複合材料は優れた力学的性質とX線を吸収しない特性を有し、医療用X線機や整形ステントなどの製造に用いることができる。炭素繊維複合材料はまた生物組織適合性と血液適合性を有し、生物環境下の安定性がよく、生物医学材料としても用いられる。また、複合材料は、スポーツデバイスの製造や建築材料としての使用などにも使用されています。

4、リン酸ジルコニウム変性複合材料

近年、ポリマー／無機層状ナノ複合材料はその多方面の優れた性能により広く注目されており、大量の研究により、ナノ無機フィラーの含有量が小さい場合、複合材料の力学性能、熱性能などが明らかに改善されることが明らかになった。現在、モンモリロナイト、凹凸棒土などの無機層状物とポリマーのナノ複合材料に対して多くの研究が行われているが、ポリマー／リン酸ジルコニウムナノ複合材料に対する研究は相対的に少ない。

α−ZrP積層板は構造が安定しており、客体が層間に導入された後も比較的安定した積層板を維持することができ、しかもそのイオン交換容量が大きく、かつ長径比制御可能と粒子サイズ分布が狭いなどの特徴があり、ポリマー／層状無機ナノ複合材料の製造に応用できる。リン酸ジルコニウムシート層の間隔を増大させ、ポリマーマトリックス中のそれのはく離を促進すると同時に、リン酸ジルコニウムシート層とポリマーマトリックスとの適合性を増加させるためには、a−ZrPを有機修飾する必要がある。α−ZrPは一般的に小分子のアミンまたはアルコールを用いてその積層板内外の−OHプロトン化反応または水素結合作用により有機修飾を行い、また高分子挿入層を行うこともできるが、その積層板間隔が小さいため、高分子直接挿入層は困難であり、通常は小分子予備支持を経てから高分子と交換する必要がある。

オクタデシルジメチル第3級アミン（DMA）とp−クロロメチル化スチレン（CMS）を用いて長鎖第4級アンモニウム塩（DMA−CMS）を合成し、α−ZrPをメチルアミン予備支持後にDMA−CMSと交換して有機修飾リン酸ジルコニウム（ZrP.DMA.CMS）を得た。この有機化処理したリン酸ジルコニウムをPS溶融とブレンドしてPS／有機修飾リン酸ジルコニウムナノ複合材料を製造し、その構造と性能について研究を行った。

XRD分析により、長鎖四級アミン塩DMA-CMSはメチルアミン予備支持後、比較的にα-ZrPの積層板間に挿入しやすく、挿入後、リン酸ジルコニウム層間距離は0.8 nmから4.0 nmに拡大し、挿入効果は明らかである。DMA−CMSにより修飾されたリン酸ジルコニウム（ZrP−DMA−CMS）とPSを二軸押出により調製したナノ複合材料は、ZrP−DMA−CMSに比べて層間隔が4.0 nmから4.3 nmにさらに拡大し、一部のポリスチレンがリン酸ジルコニウムの積層板間に入り込んだ。

力学的分析により、リン酸ジルコニウム含有量が1%の場合、PS／有機修飾リン酸ジルコニウムナノ複合材料の引張強度、弾性率、破断伸び率及び衝撃強度はそれぞれ4%、21%、8%、43%向上した。しかし、リン酸ジルコニウム含有量の増加に伴い、ナノ複合材料の引張強度、弾性率、破断伸び率及び衝撃強度は下向きの傾向を呈し、材料の強度、剛性と靭性はいずれも低下し始めた。適量の有機修飾リン酸ジルコニウムZrP−DMA−CMSの添加はPSに対して一定の強靭化効果がある。