導入
複合材料は、少なくとも 2 つの非混和性材料の集合体です (ただし、強力な接着能力を持っています)。このようにして形成された新しい材料は、元素だけでは持たない特性を持っています。
この現象により、特定の用途（軽さ、応力下での剛性など）の材料の品質を向上させることが可能となり、さまざまな産業分野で複合材料の使用が増加していることが説明されています。ただし、機械的な観点から見ると、複合材料の詳細な説明は依然として複雑です。
産業的アプローチ
複合材料は、機械的強度を確保する補強材と呼ばれるフレームワークと、一般にプラスチック材料(熱可塑性または熱硬化性樹脂) であり、構造の凝集と補強材への力の再伝達を保証するマトリックスと呼ばれる保護材で構成されています。現在、多数の複合材料があり、一般にマトリックスの性質に応じて 3 つのファミリーに分類されます。
- 有機マトリックス（CMO）を含む複合材料は、今日の産業規模で最大の量を占め、
- セラミックマトリックス複合材料 (CMC) は、非常にハイテクな用途や、宇宙、原子力、軍事などの高温での作業、およびブレーキ (セラミック ブレーキ) 向けに予約されています。
- 金属マトリックス複合材料（MMC）。
複合材料は、特に鋼などの均質な材料に匹敵する優れた機械的強度と低密度のおかげで、航空輸送（民間および軍事）、海上および鉄道、建設、航空宇宙、さらにはスポーツやレジャーにも主な用途が見出されています。
歴史的
木材は最初に使用された天然複合材料であり、その後、断熱性とコスト特性を考慮して穂軸が建築に使用されました。人類によって作られた最初の合成物の中には、モンゴルの弓 (紀元前 2000 年) も見つかります。木製のコアは、背面に腱、内面に角が積層されています。
- 1823年：チャールズ・マッキントッシュが綿などの生地にゴムを施したレインコートを作成しました。
- 1892年: フランソワ・エネビークが、母材を形成するコンクリートと補強材を形成する鋼からなる鉄筋コンクリート（建設に使用される複合材）の特許を申請。
主な複合材
複合材料の例:
- 一般に「グラスファイバー」および「カーボンファイバー」と呼ばれる硬質材料は、それぞれガラス繊維、カーボンファイバーとさまざまな硬質樹脂（特にエポキシ）の複合体です。
- マイカルタは、ベークライトなどの硬化性フェノール樹脂を高圧で含浸させた繊維複合材料（最初は綿または紙）です。
- 大工仕事、建築、家具製作に使用される合板、および複数の木材を組み合わせたもの
- Placoplatreパーティション、悪天候の屋外の建物に広く使用されています。
- 土木工学における鉄筋コンクリートは、ポリスチレンと石膏を複合したものです。
- GLARE は主にアルミニウムとグラスファイバーで構成され、航空分野で使用されます。
- ダマスク鋼は、異なるグレードの鋼板を複数枚組み合わせたものです。
補強材
補強材は機械的な力を支える骨格です。目的の用途に応じて、短繊維 (マット) または連続繊維 (ファブリックまたは多方向テクスチャー) など、さまざまな形状で提供されます。繊維は一般に、引張強度は良好ですが、圧縮強度は低くなります。
最も使用されている繊維としては、次のものが挙げられます。
- 建築、船舶、その他さまざまな非構造用途に使用されるガラス繊維。これらの繊維は製造コストが低いため、現在最も広く使用されている繊維の 1 つです。
- 構造用途に使用される炭素繊維。これらは、制御された雰囲気下で有機または無機前駆体の熱分解によって得られます。これらの前駆体の中で最も広く使用されているのはポリアクリロニトリル (PAN) です。これらの繊維の価格は依然として比較的高いですが、生産量の増加に伴い低下し続けています。これらは、航空学、宇宙だけでなく、競技スポーツやレジャー (フォーミュラ 1、ボートのマスト) などの数多くの用途に使用されています。
- 防弾チョッキなどの弾道防護材やフォーミュラ1のフレキシブル燃料タンクなどに使用されるアラミド繊維（商品名ケブラー）。
- 炭化ケイ素繊維は、 500 °Cからの炭素酸化に対して良好に反応します。これらは、高温および酸化雰囲気下 (宇宙および原子力) で動作する非常に特殊な用途で使用されます。それらの製造コストは非常に高いため、その使用は制限されています。
- 初心者レベルの複合材料では、麻やリネンなどの植物繊維への関心が高まっています。これらの繊維は手頃な価格で優れた機械的特性を備えており、天然物であるため特に環境に優しいものです。
- 木材/麻布マットと 20% PU 樹脂からなるバイオ複合サンドイッチの例と写真は、§4 にあります。得られた材料は、高い強度と軽さを兼ね備えており、曲げ弾性率は9,000 MPaに増加し、密度は0.5 T/m3 に減少しました。産業用ジュート生地はDAIFA GROUP SASが供給しています。
死ぬ
マトリックスの主な目的は、機械的な力を補強材に伝達することです。また、さまざまな環境条件から補強材を確実に保護します。また、製品に希望の形状を与えることも可能です。
CMO (有機マトリックスを含む複合材料) の場合、使用される主なマトリックスは次のとおりです。
- 一般にガラス繊維とともに使用され、日常の多くの用途で使用される安価なポリエステル樹脂。
- ビニルエステル樹脂は主にポリエステル樹脂では不十分な用途に使用されます。エポキシ樹脂を変性したもので、耐薬品性用途に優れています。
- 機械的特性に優れたエポキシ樹脂です。これらは一般に、構造部品や航空部品の製造に炭素繊維とともに使用されます。
- フェノール樹脂は、民間輸送の規格によって課せられた耐火性および難燃性を必要とする用途に使用されます。
- 高温用途向けのポリイミドおよびビスマレイミド樹脂。
- ポリプロピレンやポリアミドなどの熱可塑性樹脂。
CMC (セラミックマトリックス複合材料) の場合、マトリックスは炭素または炭化ケイ素で作ることができます。これらのマトリックスは、繊維状プリフォームの緻密化による化学蒸着(CVD) によって、またはフェノール樹脂 (カーボン マトリックスの場合) などのコーキング樹脂から堆積されます。
CMM (金属基複合材料) の場合、複合材料は次のもので構成されます。
環境
ほとんどの複合材料は熱硬化性ポリマーをベースとしているため、リサイクルが困難です。したがって、この制約は持続可能な開発に反します。また、バイオ複合材料、特に植物由来の繊維に焦点を当てた新しい研究も見られます。バイオコンポジットは、マトリックス (樹脂) と、通常は植物またはセルロース(木繊維、麻など) から得られる天然繊維の強化材によって形成される材料です。さらに、それらは生分解性であり、組織工学、美容用途、歯列矯正に使用されるため、環境の尊重にも貢献します。これらのバイオ複合材料は、最先端分野向けに市場に投入する準備がまだ整っていません。
フランスの産業界はこの種の材料に大きな関心を持っています
複合材料が完全に生分解性であるのは、天然繊維に加えて、使用されるマトリックス自体がそれ自体である場合（たとえば、PLA、ポリ乳酸など）であることに注意してください。 「古典的な」タイプの樹脂（ポリエステル、エポキシなど）が使用される場合、強化材として天然繊維を使用する利点は、これらの繊維が再生可能であることですが、複合材料が生分解性であるとは言えません。