複合材料の等価な弾性係数【材料力学用語辞典】

材料力学用語辞典では、材料力学で出てくる専門用語を分かりやすく紹介しています。今回の用語は「複合材料の等価な弾性係数」です。

この記事はYoutube動画で紹介した内容の概要です。詳細は動画をご覧ください。

複合材料とは

複合材料とは、複数の異なる材料を組み合わせることで、単独の材料では実現できない特性を発揮する材料です。代表例にカーボン繊維強化プラスチック（CFRP）があり、軽量でありながら高い強度や剛性を持ち、航空機・自動車・スポーツ用品など身近な製品に幅広く使われています。

複合材料には、積層構造、フィラーや繊維を含有した構造など様々な形態があります。

積層複合材料の等価縦弾性係数

複合材料を仮想的な均一材料として扱うとき、同じ力学的挙動をする均一材料の物性値を等価な材料物性値と呼びます。縦弾性係数E₁、E₂の2種類の材料を体積分率V₁、V₂で積層した場合、等価縦弾性係数は方向によって異なります。

積層に平行な方向：Ex’ = Ey’ = E₁V₁ + E₂V₂
積層に垂直な方向：1/Ez’ = V₁/E₁ + V₂/E₂

このように複合材料は方向によって剛性が異なる異方性材料となります。複雑な繊維構造を持つ複合材料では「均質化法」を用いて等価な物性値を求めます。

まとめ

• 複合材料は複数の材料を組み合わせて単独では実現できない特性を発揮。積層構造やフィラー・繊維含有構造など様々な形態がある。
• 複合材料を均一材料として扱うときの物性値が「等価な材料物性値」。積層の等価縦弾性係数は方向によって異なり、各層と全体の変形を考えると求まる。
• 複雑な構造の複合材料には「均質化法」を用いて「、ミクロな構造が周期的に配置されていると考えて等価な材料物性値を求める。

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