繊維強化複合材料に最適な3種類の繊維

ファイバーの種類

繊維補強コンクリート用の繊維には、さまざまなサイズ、形状、色、風味があります。

ファイバーの種類をいくつか挙げてみよう：

マクロ合成繊維：マクロ合成繊維は「構造用」合成繊維とも呼ばれ、ポリマーの混合物からできており、特定の用途でスチール繊維に取って代わるように設計されている。

マイクロ合成繊維：マイクロファイバーは、プラスチック収縮による収縮破壊を防ぐためにコンクリートに利用される。塑性収縮によるひび割れは、コンクリートがまだ軟らかかったり、動きやすかったりするたびに発生します。コンクリート表面の水分が失われることが、このひび割れの最も一般的な原因です。

ポリビニルアルコール（PVA）繊維：湿式紡糸により、高弾性率ポリビニルアルコール（PVA）を主原料とする高強力ポリビニルアルコール繊維を製造。

スチールファイバースチールファイバーは金属繊維の一種で、構造物の補強に使われる。

スチール＆マイクロ／マクロブレンド：これらの混合物は、塑性収縮ひび割れを軽減すると同時に、鋼繊維とマクロ合成繊維を使用した場合にのみ達成できる靭性の向上とひび割れ後の耐荷重性をコンクリートに与えます。

ガラス繊維ガラス繊維は、高い引張強度を持つ極めて薄い部品の製造を可能にする。従来の鉄骨鉄筋コンクリートパネルと比較した場合、ガラス繊維強化コンクリート（GRC）パネルは、コンクリートの重量と厚さを最大10分の1にまで減らすことができます。

特殊ファイバー：通常のファイバーとは異なる、少なくとも1つの特定の特徴を持つ光ファイバーは、特殊光ファイバーとして知られている。

セルロース系繊維：木材パルプやコットンを加工したもので、微細合成繊維と同じようにプラスチックの収縮割れを調整・緩和するために使用される。セルロース系繊維には、キュプラ・アンモニウム法のような再生セルロースまたは純粋セルロースと、セルロースアセテートのような変性セルロースの2種類がある。

一般的な繊維強化複合材料/FRCの種類

物理的性質の異なる2つ以上の構成要素からなる建築材料は、すべて繊維強化複合材料と呼ばれます。繊維強化複合材料（FRC)は、高い比強度と弾性率を持つ材料を提供するために設計されています。

1.繊維強化金属基複合材料（MMC）

金属マトリックス複合材料（MMC）は、軽量で高強度な材料の一種で、特に自動車、航空宇宙、熱管理など多くの産業で使用されている。

繊維強化金属マトリックス複合材料は、様々な設計や用途のニーズを満たすために使用できる多様な材料品質を提供します。繊維の強度と弾性率、マトリックスの柔軟性と耐酸化性がミックスされています。

分散強化および転位阻止は、粒子がマトリックスの機械的特性を改善する2つの方法である。

一方、繊維強化材はマトリックスと結合し、強靭な複合体を作り出す。繊維は加えられる応力の大部分を受け持ち、転位運動のバリアーとしては通常考えられません。

粒子が強化材として使用される場合、粒子は材料に等方性を与えるが、ウィスカーや繊維は材料に方向性を与える。繊維の軸に平行な方向では、繊維複合材料の特性は横方向よりも優れている。

複合強化金属マトリックス材料の最も一般的な応用分野：

1.レーシングエンジン用プッシュロッド
エンジンのバルブ用プッシュロッドは、繊維で強化されたアルミニウムMMCで作られている。補強材としてAl2O3繊維が使用され、マトリックスにはアルミニウム合金が使用されます。アルミナMMCで製造されたエンジンバルブのプッシュロッドは、通常の鋼で製造された同様の部品よりも25%優れた曲げ剛性と2倍の吸収能力を提供します。

2.超硬ドリル
ドリルビットの材料の中で最も丈夫で脆いのは超硬（Carb）である。それは主に高品質のツールホルダーと機器の雇用を必要とする生産掘削に利用されています。それはドリルプレスやハンドドリルで使用すべきではありません。

3.戦車用装甲
勾配MMCは、軍事システムにおいて長い応用の歴史を持っている。例えば勾配MMCは、セラミック強化粒子が常に分散しているため、戦車や装甲車の防護装甲板として採用することができる。

4.自動車産業 - ディスクブレーキ、ドライブシャフト、エンジン。
炭素繊維強化ポリマーマトリックス複合材料は、ブガッティなど非常に高価なスポーツカーのボディの製造に使用される主要材料である。

5.航空機部品 - ジェット機の着陸装置の構造部品。
ランディングギアは足回りとも呼ばれ、構造要素、油圧機器、エネルギー吸収部品、ブレーキ、車輪、タイヤを含む複雑なシステムです。高強度鋼とチタン合金は、高い静的強度、優れた破壊靭性、疲労強度を提供するため、着陸装置の材料として最も頻繁に利用されています。

航空機の基本構造と足回りをつなぐランディングギアの主な目的は、航空機のタキシング、安全な着陸、離陸を可能にすること、そして残りの地上作業のために航空機を維持することである。

6.自転車フレーム
自転車は長い間、日常生活の一部であった。移動手段としても欠かせない。自転車のフレームは、鉄系素材やアルミ、チタンなどの金属パイプを溶接して作るのが一般的だが、最近では炭素繊維やアラミド繊維を使ったFRPパイプを使うことで、より高品質で軽量なフレームが作られている。また、荷重を分散させるために、最近では合金鋼やアルミニウム、チタン合金などのチューブを熱処理したものが主流となっている。

FRPパイプと金属製の継ぎ手やラグを接着剤で接合した構造のFRPパイプ製自転車フレームだが、軽量化を図ったり、機械的強度や剛性など、用途に応じたフレーム特性を得たい場合は、FRP製ラグ付きFRPフレームが好ましい。

7.宇宙システム
FRCは、航空宇宙車両、宇宙プロジェクトの打ち上げ車両/宇宙船、スポーツやゲームの分野で活用されている。すべての規格を維持しながら、必要な強度対重量比を提供できるのはFRCだけである。

繊維強化複合材料（FRC）の工業用途および臨床用途への利用は、あらゆる分野の還元技術の成長を維持するために拡大している。FRCは、化学産業やその他の産業で多くの注目を集めている。

繊維強化セラミックマトリックス複合材料（CMC）

セラミック・マトリックス複合材料（CMC）は、そのユニークな特性の結果、産業界で重要性を増している。セラミック・マトリックス複合材料（CMC）は、強化材（耐火性繊維）とマトリックス材料の両方がセラミックでできている複合材料の一形態である。単相セラミック材料の耐久性不足に対処するために作られました。セラミック・マトリックス複合材料は、セラミック・マトリックス中にセラミック強化材を使用することで、改善された特性を実現します。

1.航空宇宙分野（ガスタービン、再突入構造物熱保護）
セラミック材料は、高温能力、高い剛性と強度、優れた耐酸化性と耐腐食性といったユニークな性質を備えており、航空機の用途においてますます重要性を増している。

高温および超高温セラミック用途に使用される場合、セラミック材料は金属材料よりも密度が低いため、航空機のタービン・エンジン、ロケットの排気ノズル、宇宙船の熱保護システムなどの軽量高温部部品に最適です。

高温耐性（高融点）、高剛性・高強度、耐酸化性・耐食性に優れているため、セラミックスは航空用途にとって重要な材料である。セラミック材料はまた、金属材料よりも密度が低く、その結果、比強度が大きい。

2.エネルギー部門（熱交換器、核融合炉壁）
セラミックマトリックス複合材料（CMC）は、航空宇宙やエネルギー分野（ガスタービン、構造物の再突入熱保護）（熱交換器、核融合炉壁）で広く採用されている。
ラジアントヒーターチューブ、熱交換器、熱回収、ガス・ディーゼル粒子フィルター、発電用陸上タービン用部品は、エネルギー・環境産業で使用される製品のほんの一例に過ぎない。

これらの用途では、CMC部品と周囲の材料との間に恒久的または一時的な接合部が必要となる。

セラミックは耐摩耗性、機械的性質が強く、修復物と歯の縁で隣の歯にかかるストレスが軽減されます。インレー、クラウンやオンレーなどのカスプカバレッジ修復、非常に魅力的なベニアはすべてセラミックで可能です。

ボートの船体、プールのパネル、レーシングカーの車体、シャワー室、バスタブ、貯蔵タンク、模造御影石や培養大理石のシンクやカウンタートップなどは、建物、橋、建築物に利用されている複合材料のほんの一例に過ぎない。また、汎用自動車用途でも一般的になりつつある。

3.繊維強化炭素/炭素複合材料(C/C)

炭素繊維強化炭素マトリックス複合材料（C/C複合材料）は、今日最も先進的で有望なエンジニアリング材料の一つとして発展してきた。
炭素繊維と炭素マトリックスは、炭素／炭素複合材料の製造に使用される。

過酷な環境に耐えるために、炭素/炭素複合材料は炭素繊維の強度と弾性率を利用して炭素マトリックスを強化します。カーボン/カーボン複合材は、システムにおいて信頼性が高く、コスト効率に優れていることが証明されており、特にアセンブリ内の複数のコンポーネントを単一ピースのカーボン/カーボン複合材設計に置き換えることができます。

炉備品
熱処理用途の固定具やグリッドとしてのC/C材料の用途は、実質的に無限です。他のすべての先端技術ソリューションと同様に、材料の能力を製造の必要性に適合させることが重要な出発点です。

ヒートシールド
不活性雰囲気では、炭素/炭素（C/C）複合材料はより優れた高温強度を示す。強度と剛性、破壊靭性はすべて考慮すべき重要な特徴である。高温耐酸化性、摩擦能力、熱伝導性。

ロードプレート
曲げモーメントは、スパンの長さに支える重量を8倍して計算します。最大曲げモーメントは、12フィートの部屋に600ポンドの重量を支える梁の場合、12 x 600/8 = 900フィートポンドとなります。

発熱体
マトリックス内の繊維の直交配列からなる複合材における熱伝導は、2つの成分の熱伝導率、相対的な体積分率、および幾何学的配置によって制御される。

マトリックスに気孔（クラックや細孔）がある場合、細孔は熱流の障壁となり、その存在と分布が熱伝導に大きな影響を与えるため、第三相を考慮する必要があります。固体熱伝導率と放射伝導率の組み合わせにより、温度の関数として複合C/Cの実効熱伝導率が得られます。

そしてX線ターゲット
X線トモグラフィのような非破壊処理は、密度や気孔率に関する情報だけでなく、閉鎖気孔や開放気孔の識別を伴う3D画像や、これらの欠陥の正確な位置を示すことができるため、業界にとって大きな関心事となっている。

ひび割れや穴を明確にするため、X線トモグラフィーを用いて炭素／炭素複合材料（C/C）の微細構造を再構築した。

ロケットノズルは、腐食性の高い雰囲気中で、高度な完全性を保ちながら、極めて急激な温度上昇に耐えなければならない。
ロケットエンジンホットパーツとして使用される炭素/炭素（C/C）複合材料の溶融モデリングにおいて、構成相間の反応性の違いに関連する反応輸送と不均質物質移動の対立に取り組んでいる。

炭素/炭素（C/C）複合材料は、高温での密度に対する機械的特性の比率が高いこと、熱膨張が小さいこと、大小の部品をコスト効率よく製造できることなど、相対的に多くの利点がある。

ロケット燃焼条件下では、ノズルの中心部の流れは非常に乱れやすく、境界層も乱れやすい。高温のため、気相での均一な反応が素早く起こり、混合ガスは常に化学平衡状態にある。

4.繊維強化ポリマーマトリクス複合材料（PMC）またはポリマー複合材料

PMCは、有機ポリマーの連続相と強化繊維の分散相で構成されている。破壊靭性、引張強度、剛性はすべて強化繊維によって制御される。

ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレンは、医療用プラスチック製品の製造に使用される一般的な熱可塑性プラスチック材料であり、特定の医療機器用途を満たすために特殊なポリマーを配合することもある。

ポリマーとポリマーマトリックス複合材料は、以下のような利点をもたらすことで、医療提供の質を高めると同時に、数え切れないほどの人命を救ってきた：無菌状態を維持しやすくする。ポリマーのおかげで、注射器、カテーテル、手術用手袋など、使い捨ての道具や器具を手頃な価格で作ることが可能になった。

医療機器
MRIスキャナーなど、
Cスキャナー
X線ソファー、
マンモグラフィプレート、テーブル
手術用具、
車椅子
補綴。

なぜFRCなのですか？

繊維補強コンクリートは、非補強コンクリートに比べて引張強度が高い。コンクリートの長期耐久性を向上させます。ひび割れの拡大を遅らせ、耐衝撃性を向上させます。

繊維補強コンクリートは、耐凍結融解性を高める。繊維補強コンクリートは、セメント、モルタル、またはコンクリートに、不連続で、明確で、均一に分布している適切な繊維を混ぜたものである。

繊維は、プラスチックの収縮や乾燥収縮によるひび割れを防ぐために、コンクリートで一般的に使用されている。また、コンクリートの浸透性を制限し、水のにじみを少なくする効果もある。

引張強さ
超高性能繊維補強コンクリート（UHPFRC）の引張挙動を決定するのは、コンクリート・マトリックス内の鋼繊維の分布と配向である。

超高性能繊維補強コンクリート（UHPFRC）の開発は、高強度コンクリートの引張性能をいかに高めるかという長年の研究の成果である。

鋼繊維の存在は、UHPFRCの引張挙動を制御する最も主要な要素である。UHPFRCにスチールファイバーを加えることで、柔軟性、強度、耐破壊性が向上します。

コンクリートの耐久性を高める
顕著な劣化を伴わずに長期間存続する能力は、耐久性と呼ばれる。長持ちする物質は、資源を節約し、廃棄物を減らし、メンテナンスや交換による環境への影響を低減することで、環境に利益をもたらす。

代替建材の開発は天然資源を枯渇させ、大気や水を汚染する可能性がある。コンクリートの耐久性とは、望ましい工学的性質を保ちながら、腐食、化学的損傷、磨耗に対処する能力のことである。

亀裂の成長を抑え、衝撃強度を高める
ひび割れが問題になるのは、水分の問題や鉄筋の腐食の可能性があるためで、これによって構造物の耐荷重性が低下する。コンクリートがひび割れると、構造物の耐久性も低下する。

鉄筋コンクリート構造では、ひび割れの発生が構造物の耐久性を低下させる大きな問題となっている。コンクリートが破断すると、引張圧力はコンクリートではなく引張補強材によって担われる。

適切な補強材を利用することで、亀裂の幅を制限することができ、引張補強材と亀裂補強材を組み合わせるという選択肢もある。補強の目的は、亀裂を断面全体に広げることであり、その結果、少数の大きな亀裂ではなく、多数の小さな亀裂が生じる。

繊維補強コンクリートは凍結融解に対する耐性を向上させる
凍結融解サイクルは、コンクリートやレンガの構造物を損傷させる主な原因である。水は固体、多孔質材料の隙間を埋め、凍結し、凍結融解損傷を引き起こし、膨張する。高品質のコンクリートシーラーだけが凍結融解損傷からコンクリートを保護することができます。

FRCで最もよく使用される繊維の種類

FRCコンクリート用スチールファイバー
プレーンセメントコンクリートは引張特性に乏しく、構造部材のたわみに対して脆弱であることが認識されている。コンクリートのひび割れを避けるため、特に保水性または水輸送性の構造物では、構造用コンクリートはひび割れのないセグメントとして設計されるべきである。

コンクリートに鋼繊維補強材を使用することで、大きな圧力に耐える構造要素の能力が向上する。コンクリートへの鋼繊維は、あらゆる種類の応力下での耐久性を向上させる。コンクリート建築物の引張強度を向上させるため、鋼繊維補強コンクリートはひび割れや亀裂伝播に対してより大きな抵抗力を提供する。
駐車場、運動場、空港の滑走路、誘導路、保守格納庫、アクセス道路、作業場などはすべて、スチール・ファイバー・コンクリート床材の使用例である。

FRC用PP繊維
炭化水素ベースの合成ポリマーである。ポリプロピレン繊維補強コンクリート（PPFRC）は、コンクリートの特性を向上させる内部補強材として機能する非常に短い不連続のポリプロピレン繊維で構成されている。ポリプロピレン繊維強化コンクリート（PPFRC）は、非常に短いポリプロピレン繊維で構成されており、コンクリートの特性を向上させるために内部補強材として機能する。

FRC用マクロファイバー
マクロファイバーは構造用ファイバーとしても知られ、荷重に耐えるように作られているため、非構造用途で従来の補強材に取って代わるだけでなく、早期および後期の経年劣化によるひび割れを軽減または除去するために利用される。

マクロファイバーが配合設計に含まれていなければ、このような亀裂は構造物の表面全体に広がり、通常は破壊に至る。マクロファイバーが配合設計に含まれていると、亀裂の両側を結合し、亀裂が広がるのを防ぎます。畝状または段状のデザインは、コンクリートをより強くグリップするため、それが使用される理由です。

FRC用PVA繊維
PVA（ポリビニルアルコール）ファイバーは、コンクリートマトリックス全体に広がる単繊維で、収縮を制御し、摩耗に抵抗し、熱膨張と収縮から保護する多方向ファイバーネットワークを形成します。溶接金網や鉄筋の代わりに主筋として使用できる。

繊維補強コンクリート用繊維メッシュ
ファイバー・メッシュ・コンクリート（繊維補強コンクリートとも呼ばれる）は、ワイヤー・メッシュを使用する代わりに、混合設計の構成要素の1つとして繊維を利用する。ファイバー・メッシュは、従来のワイヤー・メッシュに代わる、より最近のものである。混合の過程で、これらの繊維は生コンクリートに加えられる。

この繊維入りコンクリートは、建設現場で通常のコンクリートと同じように流し込んで固める。このコンクリートは作業が簡単で、フローリングの施工方法を改善しつつある。

コンクリートに最適な3種類の繊維は？

合成マイクロファイバー

打設後最初の10時間で、ポリプロピレン繊維を含むマイクロファイバーコンクリートは、初期の収縮挙動を効果的に減少させる。その理由は、これらの繊維が水分を吸収し、蒸発プロセスを遅らせる可能性があるためである。.これらの繊維は、塑性収縮破壊を減少させることに優れており、コンクリート補強に関連して一般的に使用されています。

プラスチック収縮割れを抑える
蒸発と吸収は、生コンクリートが水を吸収する2つの方法であり、塑性収縮をもたらす。目的の用途では、コンクリート混合物全体の含水率をできるだけ低く保つ。

これは、粘土被膜のない硬い固形骨材を高い割合で使用することと、ミッドレンジまたはハイレンジの減水混和剤を使用することで達成できる。

金属繊維/スチール繊維

スチール・ファイバー・コンクリート・フローリングは、硬化したコンクリートの破壊を減らし、動的および静的な厳しい荷重に対して最大限の耐性を与えることができる。

スチールファイバーには、以下のようなさまざまな利点がある：

• 1.コンクリートは高い耐荷重性を持つ。
  2.コンクリートスラブの厚さを減らしている。
  3.コンクリートの亀裂は耐荷力に影響しない。
  4.耐久性が増す。
  5.維持費が安い
  6.柔軟性が向上した。

金属繊維メディアは、多くの耐熱性と耐薬品性が要求される液体や空気フィルター用途に利用されています。高強度のフィルター形状に溶接することができます。洗浄可能で再利用可能な金属繊維フィルターがあります。様々な直径のものがあり、様々な純金属や合金で作られています。繊維はそれ自体で様々な目的に利用することもできますし、様々な繊維製造手順を用いて他の製品に加工することもできます。

1.硬化コンクリートのひび割れ幅を制御する
2.合成マクロ繊維／構造繊維

合成マクロ繊維は錆びない。

その結果、マクロ繊維の表面に錆びた斑点ができることはない。さらに、より大きな変形が許容される場合、マクロ合成繊維は鉱山の仮設ライニングなどの用途に効率的に使用することができる。

1.荷物を運ぶため
2.特定の非構造用途において、従来の補強材を置き換える。
3.早期および後期のひび割れを最小限に抑える、あるいはなくす。

FRCとファイバータイプの共有はここまで。その他のブログはこちらをご覧ください： https://fiberego.com/blog/.