機械設計で使用される複合材料の詳細分類

機械設計で使用される複合材料の詳細分類

1. 複合材料の基本概念

複合材料とは、異なる2種類以上の材料を組み合わせることで、単一材料では得ることが難しい機械的、熱的、電気的または化学的特性を実現した材料である。

一般的な複合材料は、次の要素から構成される。

  1. 母材

  2. 強化材

  3. 界面または界面相

  4. 充填材

  5. 添加剤

  6. コーティングまたは表面処理層

母材は、複合材料全体の形状を維持し、荷重を強化材へ伝達する。

強化材は、強度、剛性、耐摩耗性、耐熱性または機能性を向上させる。

界面は母材と強化材の間で荷重を伝達し、複合材料の実際の性能を左右する重要な領域である。

2. 複合材料を使用する主な目的

複合材料を使用する主な目的は、次のとおりである。

  • 高い比強度

  • 高い比剛性

  • 軽量化

  • 耐食性向上

  • 耐摩耗性向上

  • 疲労寿命向上

  • 熱膨張の制御

  • 熱伝導性の調整

  • 電気絶縁性または電気伝導性の付与

  • 振動減衰性向上

  • 複雑形状の一体成形

  • 部品点数の削減

  • 特定方向への剛性設計

  • 高温構造性能の向上

比強度とは強度を密度で割った値であり、比剛性とは弾性係数を密度で割った値である。

航空機、ロボット、自動車、半導体装置および高速回転体では、絶対的な強度よりも比強度と比剛性が重要になる場合が多い。

3. 複合材料の基本構成

3.1 母材

母材は、複合材料の連続相を形成する。

主な役割：

  • 製品形状の維持

  • 強化材の位置固定

  • 荷重伝達

  • 衝撃および亀裂の分散

  • 外部環境からの強化材保護

  • せん断荷重の伝達

  • 表面形成

  • 加工性および成形性の付与

代表的な母材：

高分子母材

  • エポキシ

  • 不飽和ポリエステル

  • ビニルエステル

  • フェノール樹脂

  • ポリアミド

  • ポリプロピレン

  • PEEK

  • PPS

  • PEI

  • TPU

金属母材

  • アルミニウム

  • マグネシウム

  • チタン

  • 銅

  • ニッケル

  • コバルト

セラミックス母材

  • SiC

  • Al₂O₃

  • Si₃N₄

  • ガラスセラミックス

  • 炭素

  • 超高温セラミックス

3.2 強化材

強化材は、複合材料の強度と剛性を高める主要成分である。

形状による分類：

  • 連続繊維

  • 短繊維

  • チョップドファイバー

  • 織物

  • 編組繊維

  • 不織布

  • 粒子

  • フレーク

  • ウィスカー

  • ナノチューブ

  • ナノ粒子

代表的な強化材：

  • ガラス繊維

  • 炭素繊維

  • アラミド繊維

  • 玄武岩繊維

  • 超高分子量ポリエチレン繊維

  • 炭化ケイ素繊維

  • アルミナ繊維

  • ホウ素繊維

  • 天然繊維

  • SiC粒子

  • Al₂O₃粒子

  • 黒鉛

  • カーボンナノチューブ

3.3 界面

界面は、母材と強化材が接触する領域である。

界面の主な役割：

  • 母材から繊維への荷重伝達

  • 亀裂進展の制御

  • 水分浸入の防止

  • 熱膨張差による応力の緩和

  • 繊維引抜き挙動の制御

  • 疲労寿命の決定

界面接着が弱すぎる場合：

  • 荷重伝達が不十分になる。

  • 強度が低下する。

  • 層間剥離が発生する。

  • 水分が浸入しやすくなる。

  • 疲労寿命が低下する。

界面接着が強すぎる場合：

  • 亀裂が強化材を直接貫通する場合がある。

  • 衝撃靭性が低下する。

  • 脆性破壊が増加する。

  • エネルギー吸収能力が低下する。

したがって、最適な界面とは単に最も強い界面ではなく、荷重伝達と亀裂緩和が適切に両立する界面である。

4. 複合材料の構成比の表現

複合材料の組成は、一般に質量分率と体積分率で表す。

4.1 質量分率

質量分率は、全体質量に対して特定成分が占める割合である。

例：

  • 炭素繊維：60 wt.%

  • エポキシ樹脂：40 wt.%

質量基準は、生産管理および原材料配合に適している。

4.2 体積分率

体積分率は、全体体積に対して強化材または特定成分が占める割合である。

例：

  • 炭素繊維体積分率：60 vol.%

  • 樹脂体積分率：38 vol.%

  • ボイド率：2 vol.%

機械的性質は体積分率の影響を直接受けるため、構造設計では体積分率の方が重要である。

4.3 質量分率と体積分率の関係

強化材の体積分率は、次の式で求めることができる。

[
V_f =
\frac{W_f/\rho_f}
{W_f/\rho_f + W_m/\rho_m}
]

ここで：

  • (V_f)：強化材体積分率

  • (W_f)：強化材質量分率

  • (W_m)：母材質量分率

  • (\rho_f)：強化材密度

  • (\rho_m)：母材密度

炭素繊維は一般的な高分子樹脂より密度が高いため、炭素繊維60 wt.%が必ずしも60 vol.%を意味するわけではない。

5. 複合材料の一般的な構成比

構成成分

代表範囲

主な役割

母材

約20～80 vol.%

形状維持、荷重伝達、環境保護

連続繊維

約30～70 vol.%

強度および剛性向上

短繊維

約5～40 wt.%

射出成形部品の補強

粒子状強化材

約5～50 vol.%

耐摩耗性、熱膨張、熱伝導性の調整

充填材

約2～50 wt.%

コスト、収縮、機能性の調整

界面処理剤

通常0.1～3 wt.%

接着性と耐水性の向上

難燃剤

約5～30 wt.%

燃焼抑制

顔料・安定剤

約0.1～5 wt.%

色調および劣化防止

ボイド

約0.1～10 vol.%

一般には欠陥、一部構造では機能要素

航空機用高性能プリプレグ積層材では、繊維体積分率が約55～65%である場合が多い。

一般的なハンドレイアップGFRPでは、繊維体積分率が約20～40%となることがある。

6. 強化形態による分類

6.1 連続繊維複合材料

繊維が部品全体または主要な構造長さにわたって連続的に配置される。

特徴：

  • 高い方向別強度

  • 高い方向別剛性

  • 低密度

  • 積層設計が可能

  • 強い異方性

  • 層間強度が低い場合がある

代表材料：

  • CFRP

  • GFRP

  • AFRP

  • SiC/SiC

  • 炭素／炭素複合材料

6.2 短繊維複合材料

短い繊維が母材内部に分散した材料である。

代表例：

  • PA66-GF30

  • PBT-GF30

  • PEEK-CF30

  • PP-GF20

長所：

  • 射出成形が可能

  • 大量生産に適する

  • 複雑形状を製造可能

  • 金属部品の代替が可能

制限：

  • 繊維長さと配向により物性が変動する。

  • ウェルドライン部の強度が低下する。

  • 成形流動方向による異方性が生じる。

  • 連続繊維積層材より強度が低い。

6.3 粒子強化複合材料

セラミックス、金属、炭素または無機粒子を母材中に分散させた材料である。

代表例：

  • Al-SiC

  • Al-Al₂O₃

  • ゴム粒子強化エポキシ

  • シリカ充填エポキシ

  • WC-Co

  • コンクリート

主な目的：

  • 耐摩耗性向上

  • 熱膨張低減

  • 剛性向上

  • 熱伝導性調整

  • コスト低減

  • 収縮低減

6.4 フレークおよび板状強化材

代表材料：

  • マイカ

  • 黒鉛フレーク

  • グラフェン

  • ガラスフレーク

  • アルミニウムフレーク

効果：

  • ガスバリア性向上

  • 寸法安定性向上

  • 熱伝導性向上

  • 電気伝導性向上

  • コーティングの耐食性向上

6.5 ハイブリッド複合材料

2種類以上の強化材を併用する複合材料である。

代表的な組合せ：

  • 炭素繊維＋ガラス繊維

  • 炭素繊維＋アラミド繊維

  • ガラス繊維＋天然繊維

  • 炭素繊維＋金属メッシュ

  • 繊維＋粒子

ハイブリッド化の目的：

  • コスト低減

  • 衝撃靭性向上

  • 疲労特性改善

  • 電気伝導性調整

  • 破壊モード制御

  • 局部剛性調整

7. 高分子基複合材料 — PMC

高分子基複合材料は、最も広く使用されている複合材料である。

母材には、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が使用される。

代表材料：

  • GFRP

  • CFRP

  • AFRP

  • 天然繊維複合材料

  • 短繊維強化エンジニアリングプラスチック

  • 粒子充填樹脂

8. エポキシ基複合材料

8.1 基本構成

エポキシ複合材料は、エポキシ樹脂、硬化剤、強化繊維および添加剤から構成される。

代表構成：

構成成分

代表範囲

強化繊維

約45～70 wt.%

エポキシ樹脂

約20～45 wt.%

硬化剤

樹脂に対して約10～40 wt.%

充填材・添加剤

約0～20 wt.%

ボイド

通常0.5～3 vol.%以下を目標

プリプレグCFRPでは、繊維含有量が質量基準で約60～70%に達する場合がある。

8.2 エポキシの構成成分

代表成分：

  • ビスフェノールA型エポキシ

  • ビスフェノールF型エポキシ

  • ノボラック型エポキシ

  • アミン系硬化剤

  • 酸無水物系硬化剤

  • 促進剤

  • ゴム系靭性改良剤

  • シリカ

  • 難燃剤

各成分の役割：

ビスフェノールA型

  • 汎用性

  • 高い接着性

  • 良好な機械的特性

  • 比較的高い粘度

ビスフェノールF型

  • 低粘度

  • 良好な含浸性

  • 精密成形に適する

ノボラック型

  • 高い架橋密度

  • 高い耐熱性と耐薬品性

  • 脆性が増加する場合がある

ゴム系靭性改良剤

  • 破壊靭性向上

  • 耐衝撃性向上

  • 弾性係数とガラス転移温度が低下する場合がある

8.3 特性

長所：

  • 高い接着性

  • 低い硬化収縮

  • 優れた機械的性質

  • 高い疲労性能

  • 低いボイド率を実現可能

  • 高い寸法安定性

制限：

  • 硬化時間が必要

  • 衝撃に弱い場合がある

  • 使用温度がガラス転移温度に制限される

  • 吸湿性

  • リサイクルが困難

  • 硬化条件の管理が必要

9. 不飽和ポリエステル複合材料

9.1 基本構成

代表構成：

構成成分

代表範囲

ガラス繊維

約20～50 wt.%

不飽和ポリエステル樹脂

約30～60 wt.%

スチレン系反応性希釈剤

樹脂系中約20～45 wt.%

無機充填材

約0～40 wt.%

開始剤・促進剤

約0.5～3 wt.%

顔料・低収縮剤

約0～10 wt.%

9.2 特性

長所：

  • 比較的低価格

  • 硬化が速い

  • 大型構造物の成形が可能

  • 良好な耐食性

  • ガラス繊維との組合せが容易

制限：

  • 硬化収縮

  • スチレン臭および揮発性物質

  • エポキシより疲労性と接着性が低い

  • 水分と薬品による長期劣化

  • 高いボイド率が発生する場合がある

9.3 主な用途

  • FRPタンク

  • ダクト

  • 装置カバー

  • 船舶

  • 配管

  • 大型パネル

  • 化学設備

10. ビニルエステル複合材料

ビニルエステルは、エポキシ由来の分子構造と不飽和ポリエステルに近い硬化方式を組み合わせた樹脂である。

代表構成：

構成成分

代表範囲

ガラス繊維

約25～60 wt.%

ビニルエステル樹脂

約25～55 wt.%

反応性希釈剤

樹脂系中約20～45 wt.%

充填材・添加剤

約0～20 wt.%

特性：

  • 不飽和ポリエステルより高い耐薬品性

  • 高い耐水性

  • 良好な接着性

  • 良好な疲労性能

  • エポキシより速い硬化

  • 収縮および揮発性有機化合物の管理が必要

主な用途：

  • 化学タンク

  • 腐食性配管

  • 洗浄設備

  • 海洋構造物

  • バッテリーケース

  • 高耐食FRP

11. 熱可塑性樹脂基複合材料

代表的な母材：

  • PP

  • PA

  • PBT

  • PPS

  • PEEK

  • PEI

  • PC

  • TPU

長所：

  • 高速成形

  • 再加熱および再成形が可能

  • 高い衝撃靭性

  • 溶着が可能

  • リサイクルの可能性

  • 高い生産性

制限：

  • 高い溶融粘度

  • 連続繊維への含浸が難しい

  • 高温加工設備が必要

  • 冷却収縮および反り

  • 一部材料の高い吸湿性

12. ガラス繊維強化プラスチック — GFRP

12.1 ガラス繊維の構成

ガラス繊維は主にシリカと金属酸化物から構成される。

Eガラスの代表組成

成分

代表範囲

SiO₂

約52～56 wt.%

Al₂O₃

約12～16 wt.%

CaO

約16～25 wt.%

B₂O₃

約5～10 wt.%

MgOおよびその他

少量

Sガラスの代表組成

成分

代表範囲

SiO₂

約60～65 wt.%

Al₂O₃

約20～30 wt.%

MgO

約8～12 wt.%

その他

少量

Sガラスは、Eガラスより高い強度と弾性係数を持つ。

12.2 一般的なGFRPの繊維含有量

製造方法

ガラス繊維含有量の目安

ハンドレイアップ

約20～40 wt.%

スプレーアップ

約20～35 wt.%

RTM

約35～60 wt.%

フィラメントワインディング

約55～75 wt.%

引抜成形

約50～75 wt.%

短繊維射出成形

約10～50 wt.%

12.3 特性

長所：

  • 経済性

  • 高い引張強度

  • 優れた電気絶縁性

  • 高い耐食性

  • 非磁性

  • 多様な成形方法

  • 電波透過性

制限：

  • 炭素繊維より低い比剛性

  • 水分による界面劣化

  • 疲労とクリープ

  • ガラス繊維露出

  • 加工時の粉じん

  • リサイクルが困難

12.4 主な用途

  • タンク

  • 配管

  • 装置カバー

  • 電気絶縁部品

  • 形材

  • 船舶

  • 風力発電ブレード

  • グレーチング

  • 食品・化学設備用カバー

13. 炭素繊維強化プラスチック — CFRP

13.1 炭素繊維の基本構成

炭素繊維の主成分は炭素である。

代表的な前駆体：

  • PAN系

  • ピッチ系

  • レーヨン系

PAN系炭素繊維は、一般に約92～99%以上の炭素を含む。

高温で黒鉛化された炭素繊維では、炭素含有量が99%以上となる場合がある。

13.2 代表的なCFRP構成

構成成分

代表範囲

炭素繊維

約50～70 wt.%

樹脂

約25～45 wt.%

添加剤

約0～10 wt.%

ボイド

高品質積層材で約0.5～2 vol.%を目標

体積基準では、繊維が約50～65 vol.%である場合が多い。

13.3 炭素繊維のグレード

標準弾性率タイプ

  • 高い引張強度

  • 比較的経済的

  • 一般構造用途

中弾性率タイプ

  • 高い剛性と強度のバランス

  • 航空宇宙および精密機械用途

高弾性率タイプ

  • 非常に高い弾性係数

  • 低い熱膨張

  • 脆性と価格が増加

高強度タイプ

  • 高い破断強度

  • 衝撃および疲労性能が向上する場合がある

13.4 特性

長所：

  • 非常に高い比強度

  • 非常に高い比剛性

  • 低い熱膨張

  • 高い疲労性能

  • 電気伝導性

  • 高い振動減衰性

  • 優れた寸法安定性

制限：

  • 高価格

  • 衝撃損傷に敏感

  • 低い層間強度

  • 異種金属接触による電食の可能性

  • 電気絶縁が困難

  • 加工粉じん

  • 修理および検査が難しい

13.5 主な用途

  • 航空機構造

  • ロボットアーム

  • 高速回転部品

  • ドライブシャフト

  • 精密装置フレーム

  • スポーツ用品

  • 自動車車体

  • 半導体装置用ビーム

  • 計測装置構造体

14. アラミド繊維強化プラスチック — AFRP

14.1 基本構成

アラミド繊維は、芳香族ポリアミド構造を持つ。

主な構成元素：

  • 炭素

  • 水素

  • 窒素

  • 酸素

代表的な種類：

  • パラ系アラミド

  • メタ系アラミド

14.2 一般的な構成

構成成分

代表範囲

アラミド繊維

約40～65 wt.%

エポキシ、ビニルエステルなどの樹脂

約30～55 wt.%

添加剤

約0～10 wt.%

14.3 特性

長所：

  • 高い比強度

  • 優れた衝撃エネルギー吸収

  • 高い靭性

  • 高い疲労性能

  • 低密度

  • 電気絶縁性

  • 高い振動減衰性

制限：

  • 圧縮強度が低い

  • 吸湿性

  • 切削加工が困難

  • 表面仕上げが困難

  • 紫外線に敏感

  • 樹脂との界面接着管理が必要

14.4 主な用途

  • 防弾材

  • 衝撃吸収パネル

  • ロープ

  • ホース補強材

  • 圧力容器

  • 保護具

  • ハイブリッド積層材

15. 天然繊維複合材料

代表的な繊維：

  • 亜麻

  • 麻

  • ジュート

  • ケナフ

  • サイザル

  • 竹繊維

  • 木粉

主な構成成分：

  • セルロース

  • ヘミセルロース

  • リグニン

  • ワックス

  • 水分

代表構成：

構成成分

代表範囲

天然繊維

約20～60 wt.%

PP、PLA、ポリエステルなどの母材

約35～75 wt.%

相溶化剤・添加剤

約1～10 wt.%

長所：

  • 低密度

  • 再生可能資源

  • 低コスト

  • 良好な振動減衰性

  • 加工工具の摩耗が少ない

制限：

  • 吸湿

  • 寸法変化

  • 品質ばらつき

  • 耐熱性の制限

  • カビおよび生物学的劣化

  • 界面接着問題

16. 短繊維強化エンジニアリングプラスチック

16.1 代表構成

PA66-GF30

  • PA66：約70 wt.%

  • ガラス繊維：約30 wt.%

  • 安定剤・潤滑剤：少量

PBT-GF30

  • PBT：約70 wt.%

  • ガラス繊維：約30 wt.%

  • 難燃剤・安定剤：グレードによる

PEEK-CF30

  • PEEK：約70 wt.%

  • 炭素繊維：約30 wt.%

PPS-GF40

  • PPS：約60 wt.%

  • ガラス繊維：約40 wt.%

16.2 強化材含有量増加の影響

一般的な傾向：

  • 弾性係数増加

  • 引張強度増加

  • 熱変形減少

  • クリープ減少

  • 熱膨張低減

  • 成形収縮低減

制限：

  • 衝撃強度が低下する場合がある。

  • 伸びが減少する。

  • 繊維配向による異方性が増加する。

  • 表面粗さが増加する。

  • 金型摩耗が増加する。

  • ウェルドライン強度が低下する。

17. シートモールディングコンパウンド — SMC

SMCは、熱硬化性樹脂、チョップドガラス繊維および充填材をシート状にした成形材料である。

代表構成：

構成成分

代表範囲

不飽和ポリエステルまたはビニルエステル

約15～30 wt.%

ガラス繊維

約20～35 wt.%

炭酸カルシウムなどの充填材

約30～50 wt.%

低収縮添加剤

約5～15 wt.%

開始剤・添加剤

約1～5 wt.%

特性：

  • 圧縮成形が可能

  • 大型パネル製造に適する

  • 高い生産性

  • 比較的均一な品質

  • 金属代替が可能

  • 連続繊維積層材より構造性能が低い

主な用途：

  • 自動車パネル

  • 電気ボックス

  • 装置カバー

  • 浴槽

  • 構造パネル

18. バルクモールディングコンパウンド — BMC

BMCは、樹脂、短繊維および充填材をバルク状に混合した成形材料である。

代表構成：

構成成分

代表範囲

熱硬化性樹脂

約15～30 wt.%

チョップドガラス繊維

約10～25 wt.%

無機充填材

約40～65 wt.%

添加剤

約2～10 wt.%

特性：

  • 複雑形状の圧縮成形および射出成形が可能

  • 高い電気絶縁性

  • 良好な寸法安定性

  • 耐熱性

  • 連続繊維複合材料より構造強度が低い

19. 金属基複合材料 — MMC

金属基複合材料は、金属母材中にセラミックス粒子、繊維または炭素材料を分散させた複合材料である。

代表的な母材：

  • アルミニウム

  • マグネシウム

  • チタン

  • 銅

  • ニッケル

代表的な強化材：

  • SiC

  • Al₂O₃

  • B₄C

  • 炭素繊維

  • 黒鉛

  • SiC繊維

  • ホウ素繊維

20. アルミニウム基複合材料

20.1 Al-SiC粒子複合材料

代表構成：

構成成分

代表範囲

アルミニウム合金

約50～95 vol.%

SiC粒子

約5～50 vol.%

界面反応抑制添加剤

微量

一般産業用材料では、SiC含有量が約10～30 vol.%である場合が多い。

20.2 特性

SiC含有量が増加すると：

  • 弾性係数が増加する。

  • 耐摩耗性が向上する。

  • 熱膨張が減少する。

  • 熱伝導性が変化する。

  • 硬度が増加する。

  • 加工性が低下する。

  • 延性が低下する。

  • 衝撃靭性が低下する。

20.3 主な用途

  • ブレーキディスク

  • シリンダーライナー

  • 放熱基板

  • 精密ステージ

  • 宇宙構造物

  • 電子パッケージ

  • 耐摩耗部品

21. Al-Al₂O₃複合材料

代表構成：

  • アルミニウム合金：約70～95 vol.%

  • Al₂O₃粒子または繊維：約5～30 vol.%

特性：

  • 硬度増加

  • 耐摩耗性向上

  • 熱膨張低減

  • 剛性増加

  • SiC強化材より低コストとなる場合がある

  • 加工工具摩耗の増加

  • 延性低下

22. マグネシウム基複合材料

代表構成：

  • マグネシウム合金：約70～95 vol.%

  • SiCまたはAl₂O₃：約5～30 vol.%

長所：

  • 非常に低い密度

  • 高い比剛性

  • 良好な振動減衰性

  • 寸法安定性向上

制限：

  • 腐食

  • 酸化および鋳造時の安全性

  • 界面反応

  • 低い延性

  • 高い製造コスト

主な用途：

  • 航空宇宙部品

  • 軽量回転部品

  • 精密ハウジング

  • スポーツ用品

23. チタン基複合材料

代表的な強化材：

  • 連続SiC繊維

  • ホウ素繊維

  • TiB粒子

  • TiC粒子

代表構成：

構成成分

代表範囲

チタン合金母材

約60～90 vol.%

連続繊維または粒子

約10～40 vol.%

特性：

  • 高温で高い比強度

  • 高い剛性

  • 優れた耐熱性と耐食性

  • 界面反応の管理が必要

  • 非常に高い製造コスト

  • 複雑な加工と接合

主な用途：

  • 航空エンジン

  • 高温回転部品

  • 宇宙構造物

  • 高荷重軽量部品

24. 銅基複合材料

代表的な材料系：

  • Cu-W

  • Cu-Mo

  • Cu-黒鉛

  • Cu-Al₂O₃

  • Cu-Cr

Cu-W

代表組成：

  • 銅：約10～50 wt.%

  • タングステン：約50～90 wt.%

特性：

  • 高い熱伝導性

  • 高い耐熱性および耐摩耗性

  • 耐アーク性

  • 高密度

Cu-黒鉛

  • 銅：約50～90 wt.%

  • 黒鉛：約10～50 wt.%

特性：

  • 電気伝導性

  • 自己潤滑性

  • ブラシおよび摺動電気接点に適する

25. セラミックス基複合材料 — CMC

セラミックス基複合材料は、セラミックスの高温性能を維持しながら、モノリシックセラミックスの脆性破壊を改善するための材料である。

代表材料：

  • SiC/SiC

  • C/SiC

  • C/C

  • Al₂O₃/Al₂O₃

  • 酸化物／酸化物複合材料

26. SiC/SiC複合材料

26.1 基本構成

構成成分

代表範囲

SiC繊維

約30～50 vol.%

SiC母材

約40～65 vol.%

界面層

約1～10 vol.%

気孔

約5～20 vol.%

代表的な界面層：

  • 炭素

  • BN

  • 多層界面コーティング

26.2 特性

  • 高い高温強度

  • 低密度

  • 高い耐熱衝撃性

  • 亀裂架橋

  • 非破局的な破壊挙動

  • 酸化環境での繊維および界面層の劣化

  • 高い製造コスト

  • 気孔管理が必要

26.3 主な用途

  • 航空エンジン高温部品

  • 燃焼器ライナー

  • タービン部品

  • 熱防護構造

  • 原子炉部品

27. 炭素／炭素複合材料 — C/C

27.1 基本構成

炭素繊維と炭素母材で構成される。

代表構成：

構成成分

代表範囲

炭素繊維

約30～60 vol.%

炭素母材

約30～60 vol.%

気孔

約5～20 vol.%

酸化防止コーティング

必要に応じて別途適用

27.2 特性

長所：

  • 極めて高い温度で強度を維持

  • 低密度

  • 高い耐熱衝撃性

  • 高い摩擦性能

  • 低い熱膨張

制限：

  • 酸素雰囲気で酸化する

  • 製造時間が非常に長い

  • 高価格

  • 気孔および内部欠陥の管理が必要

  • 保護コーティングが必要

27.3 主な用途

  • 航空機用ブレーキ

  • ロケットノズル

  • 熱防護材

  • 高温炉部品

  • 宇宙機部品

28. 酸化物基複合材料

代表材料：

  • Al₂O₃繊維／Al₂O₃母材

  • ムライト繊維／アルミノシリケート母材

特性：

  • 酸化雰囲気で安定

  • 高い使用温度

  • 電気絶縁性

  • SiC/SiCより酸化に対する感受性が低い

  • 比較的低い高温強度

  • 低い熱伝導性

  • 高い製造コスト

29. 超硬合金およびサーメット

29.1 WC-Co超硬合金

代表構成：

構成成分

代表範囲

WC

約70～97 wt.%

Co

約3～30 wt.%

TiC、TaC、NbC

約0～20 wt.%

WCは硬度と耐摩耗性を提供し、Coは靭性と結合強度を提供する。

29.2 TiCNサーメット

代表構成：

構成成分

代表範囲

TiCNおよびTiC

約50～85 wt.%

NiおよびCo結合相

約10～30 wt.%

Mo₂C、WC、TaC

約5～30 wt.%

特性：

  • 高い高温硬度

  • 優れた耐摩耗性

  • 良好な加工表面品質

  • 超硬合金より靭性が低い場合がある

  • 鋼材の仕上げ加工に適する

30. 積層複合材料

積層複合材料は、異なる方向の繊維層を複数枚積み重ねて製造する。

代表的な積層角度：

  • 0°

  • 90°

  • ＋45°

  • －45°

各方向の役割：

0°層

  • 主荷重方向の引張および圧縮荷重を支持

  • 高い軸方向剛性

90°層

  • 横方向荷重を支持

  • 亀裂および寸法安定性を制御

±45°層

  • せん断荷重を支持

  • ねじり抵抗を向上

  • 衝撃および変形を分散

30.1 代表的な積層構成

例：

  • [0/90]s

  • [0/+45/-45/90]s

  • [0/0/+45/-45/90]s

ここで「s」は、中立面を基準とした対称積層を意味する。

対称積層は、熱変形および反りの低減に有利である。

31. サンドイッチ構造

サンドイッチ構造は、薄く強い2枚の表皮材の間に、厚く軽量なコア材を配置した構造である。

構成：

  • 上部表皮材

  • 下部表皮材

  • コア

  • 接着層

  • 局部インサート

31.1 表皮材

代表材料：

  • CFRP

  • GFRP

  • アルミニウム

  • ステンレス鋼

  • 合板

表皮材は主に引張および圧縮荷重を支持する。

31.2 コア材

代表材料：

  • アルミニウムハニカム

  • アラミドハニカム

  • ポリマーフォーム

  • バルサ材

  • PMIフォーム

  • PVCフォーム

  • PETフォーム

コアの主な役割：

  • 表皮材間隔の維持

  • せん断荷重の支持

  • 座屈防止

  • 低重量で曲げ剛性を向上

31.3 代表的な構成比

サンドイッチ構造では、コアが全厚の約70～95%を占める場合がある。

ただし、質量基準では表皮材が大きな割合を占める場合がある。

例：

  • CFRP表皮材：各1～2 mm

  • ハニカムコア：10～50 mm

  • 接着フィルム：各界面約0.1～0.3 mm

31.4 主な破壊モード

  • 表皮材の引張破壊

  • 表皮材の圧縮座屈

  • コアのせん断破壊

  • 表皮材とコアの剥離

  • 局部圧壊

  • インサートの引抜き

  • 衝撃による内部剥離

32. 複合材料の機械的特性

32.1 異方性

複合材料の特性は方向によって異なる。

一方向CFRPの場合：

  • 繊維方向弾性係数：非常に高い

  • 横方向弾性係数：低い

  • 繊維方向強度：高い

  • 層間せん断強度：比較的低い

したがって、一般的な金属のような等方性材料として扱ってはならない。

32.2 複合則

繊維方向の弾性係数は、簡略的に次の式で表すことができる。

[
E_L = E_f V_f + E_m V_m
]

ここで：

  • (E_L)：複合材料の長手方向弾性係数

  • (E_f)：繊維の弾性係数

  • (E_m)：母材の弾性係数

  • (V_f)：繊維体積分率

  • (V_m)：母材体積分率

実際の物性は、繊維配向、界面接着、ボイド率、繊維損傷および製造欠陥により、理論値より低くなる場合がある。

32.3 比強度と比剛性

CFRPは、方向によっては鋼より絶対弾性係数が低い場合がある。

しかし、密度が非常に低いため、比剛性は鋼より高くなることがある。

この特性は、軽量移動体、ロボットアームおよび航空構造において重要である。

32.4 疲労

複合材料の疲労損傷は、単一の亀裂ではなく、複数の損傷機構が蓄積する形で進行する。

代表的な損傷：

  • 母材亀裂

  • 繊維・母材界面剥離

  • 層間剥離

  • 繊維破断

  • ボイド周辺の亀裂

疲労寿命は、繊維方向、応力比、湿度、温度および過去の衝撃損傷の影響を受ける。

33. 複合材料の主な破壊モード

33.1 繊維破断

繊維方向の荷重が繊維強度を超えた場合に発生する。

一般に、修復が難しい重大な損傷である。

33.2 母材亀裂

横方向引張、熱応力または繰返し荷重によって樹脂に亀裂が発生する。

母材亀裂は直ちに全体破壊につながらない場合もあるが、水分浸入および層間剥離を促進する。

33.3 界面剥離

繊維と母材の間の接着が失われる現象である。

主な原因：

  • 水分

  • 衝撃

  • 熱膨張差

  • 不十分な表面処理

  • 繰返し荷重

33.4 層間剥離

積層層間が分離する現象である。

主な原因：

  • 衝撃

  • 自由端応力

  • 穴周辺の応力集中

  • 不均一な硬化

  • 水分

  • 組立損傷

33.5 繊維座屈およびマイクロバックリング

圧縮荷重下で繊維が局部的に曲がる、または配列が崩れることで発生する。

繊維の配向誤差と母材のせん断強度が大きく影響する。

33.6 ボイドおよび気孔

ボイドは、次の問題を引き起こす。

  • 層間せん断強度低下

  • 疲労寿命低下

  • 吸湿増加

  • 熱伝導性の不均一

  • 亀裂発生起点の形成

高品質な航空宇宙用複合材料では、ボイド率を約1～2%以下に管理する場合が多い。

34. 熱的特性

34.1 熱膨張

強化材と母材の熱膨張係数が異なるため、内部熱応力が発生する。

炭素繊維は、繊維方向に非常に低い、または負の熱膨張係数を持つ場合がある。

CFRPは積層設計によって、全体の熱膨張を非常に低く調整できる。

34.2 熱伝導性

一般的な傾向：

  • 炭素繊維：方向性のある熱伝導

  • ガラス繊維：低い熱伝導性

  • 金属基：比較的高い熱伝導性

  • セラミックス基：材料による差が大きい

  • フォームコア：非常に低い熱伝導性

熱伝導性も、繊維方向によって大きく異なる場合がある。

34.3 使用温度

高分子基複合材料の使用温度は、母材樹脂のガラス転移温度と熱分解温度によって制限される。

一般的な相対傾向：

母材

使用温度の傾向

不飽和ポリエステル

低～中

エポキシ

中

高耐熱エポキシ

中～高

ビスマレイミド

高

ポリイミド

非常に高い

PEEK

高

PPS

高

セラミックス基

非常に高い

実際の連続使用温度は、荷重、湿度、酸化環境および要求寿命によって異なる。

35. 水分および化学環境

35.1 吸湿

水分は主に樹脂と界面を通じて浸入する。

影響：

  • 母材の軟化

  • ガラス転移温度低下

  • 界面接着力低下

  • 層間せん断強度低下

  • 寸法変化

  • 電気絶縁性低下

35.2 紫外線

紫外線は樹脂表面を劣化させる場合がある。

発生する現象：

  • 変色

  • チョーキング

  • 表面亀裂

  • 繊維露出

  • 樹脂強度低下

対策：

  • UV安定剤

  • 保護塗装

  • ゲルコート

  • 遮光構造

35.3 化学薬品

ビニルエステルおよびエポキシ複合材料は一般に高い耐食性を持つが、すべての薬品に安定しているわけではない。

確認項目：

  • 薬品の種類

  • 濃度

  • 温度

  • 応力状態

  • 暴露時間

  • 樹脂の種類

  • 硬化度

  • 強化繊維の種類

36. 電気的特性

36.1 GFRP

  • 高い電気絶縁性

  • 電波透過性

  • 電気ボックスおよびアンテナカバーに適する

36.2 CFRP

  • 電気伝導性

  • 静電気を放電可能

  • 電磁シールド機能を付与可能

  • 金属との接触により電食が生じる場合がある

36.3 充填型複合材料

導電性添加剤：

  • カーボンブラック

  • 炭素繊維

  • CNT

  • グラフェン

  • 金属粉末

絶縁性・熱伝導性添加剤：

  • AlN

  • BN

  • Al₂O₃

  • MgO

37. 複合材料の製造工程

37.1 ハンドレイアップ

繊維マットを手作業で配置しながら樹脂を塗布する。

長所：

  • 低い金型費

  • 大型部品の製造が可能

  • 少量生産に適する

制限：

  • 品質ばらつき

  • 高いボイド率

  • 低い繊維分率

  • 作業者への依存

37.2 真空バッグ成形

積層材を真空バッグで圧締し、空気と余剰樹脂を除去する。

効果：

  • ボイド率低減

  • 繊維分率向上

  • 表面品質向上

  • 厚さばらつき低減

37.3 オートクレーブ成形

真空、外部圧力および温度を同時に加える。

長所：

  • 低いボイド率

  • 高い繊維分率

  • 優れた構造性能

  • 高い品質再現性

制限：

  • 高い設備費

  • 長い生産時間

  • 部品サイズの制限

  • 高い材料費

37.4 RTM

乾燥繊維プリフォームを金型内に配置し、樹脂を注入する。

長所：

  • 両面の表面品質が良い

  • クローズドモールド工程

  • 複雑形状に適する

  • 中程度の生産性

制限：

  • 含浸不良の可能性

  • 樹脂流動解析が必要

  • プリフォーム製作が必要

37.5 真空インフュージョン

真空圧を利用して樹脂を繊維内部へ含浸させる。

主な用途：

  • 船舶

  • 風力発電ブレード

  • 大型パネル

  • タンク

37.6 フィラメントワインディング

連続繊維を回転するマンドレルに巻き付ける。

適用部品：

  • 圧力容器

  • 配管

  • シャフト

  • タンク

  • ロケットモーターケース

繊維角度を調整することで、円周方向および軸方向の強度を設計できる。

37.7 引抜成形

連続繊維を樹脂に含浸させ、加熱金型を通して連続的に引き抜く。

適用形状：

  • ビーム

  • チャンネル

  • チューブ

  • ロッド

  • はしご形状の形材

37.8 圧縮成形

SMC、BMCまたは熱可塑性シートを金型内で圧縮成形する。

長所：

  • 高い生産性

  • 大型部品に適する

  • 良好な寸法再現性

  • 比較的短い成形サイクル

37.9 射出成形

短繊維強化熱可塑性樹脂に使用される。

主な工程変数：

  • 繊維長さ

  • ゲート位置

  • 流動方向

  • ウェルドライン

  • 保圧

  • 金型温度

  • 樹脂乾燥

38. 複合材料の加工

38.1 切削加工上の問題

加工時に発生する可能性のある問題：

  • 層間剥離

  • 繊維引抜き

  • バリ

  • 熱損傷

  • 樹脂溶融

  • 工具摩耗

  • 粉じん

  • 寸法不安定

38.2 工具

代表的な工具および加工法：

  • 超硬工具

  • ダイヤモンドコーティング工具

  • PCD

  • ウォータージェット

  • レーザー加工

  • 超音波加工

CFRPおよびGFRPは、工具に対する摩耗性が高い。

38.3 穴加工

穴周辺は、応力集中および層間剥離に敏感である。

対策：

  • バックアッププレートを使用する。

  • 低スラストドリルを使用する。

  • ステップドリルを使用する。

  • 専用ドリル形状を使用する。

  • 適切な送り速度を設定する。

  • 穴周辺に局部補強層を追加する。

  • 必要に応じてインサートを使用する。

39. 接合方法

39.1 接着接合

長所：

  • 広い面積に荷重を分散

  • 異種材料の接合

  • 穴加工を最小化

  • 重量増加が小さい

制限：

  • 表面処理が必要

  • 硬化時間

  • 温度および湿度の影響

  • 検査が困難

  • 剥離荷重に弱い

39.2 機械的締結

代表方式：

  • ボルト

  • リベット

  • インサート

  • ピン

  • クランプ

注意事項：

  • 穴周辺の応力集中

  • 面圧破壊

  • 正味断面破壊

  • 層間剥離

  • 締結トルク

  • 電食

39.3 ハイブリッド接合

接着接合とボルトまたはリベットを併用する。

長所：

  • 初期位置の固定

  • フェイルセーフ性向上

  • 剥離抵抗向上

短所：

  • 荷重分担が複雑

  • 製造工程が増加

  • 修理性が低下

40. 複合材料の設計原則

40.1 荷重経路に沿って繊維を配置する

繊維は主荷重方向に配置する必要がある。

金属部品の形状をそのまま複製し、材料だけをCFRPへ置き換える設計は非効率となる場合がある。

40.2 急激な肉厚変化を避ける

急激な肉厚変化は、次の問題を引き起こす。

  • 樹脂リッチ領域

  • しわ

  • ボイド

  • 残留応力

  • 層間剥離

  • 硬化変形

40.3 自由端および角部を補強する

自由端では層間応力が増加する。

対策：

  • テーパー

  • 積層端部の分散

  • 補強パッチ

  • 曲率を持つ移行部

  • 局部的な織物層の追加

40.4 集中荷重を避ける

点荷重やボルト荷重は、複合材料に不利である。

対策：

  • 荷重分散板

  • 金属インサート

  • ポッティング材

  • 局部積層厚さ増加

  • 接着面積拡大

40.5 対称・バランス積層を使用する

対称積層：

  • 硬化時の反りを低減

  • 温度変化による曲げを低減

バランス積層：

  • ＋θ層と－θ層を組み合わせる

  • 引張・せん断連成を低減

41. 複合材料の検査

41.1 外観検査

検査項目：

  • しわ

  • 繊維配向の乱れ

  • ボイド

  • 樹脂不足

  • 樹脂過多

  • 表面亀裂

  • コア圧壊

41.2 超音波検査

検出可能な欠陥：

  • 層間剥離

  • ボイド

  • 接着不良

  • 異物

  • コア剥離

41.3 赤外線サーモグラフィ検査

加熱および冷却応答の差を利用して内部欠陥を検出する。

検出に適する欠陥：

  • 剥離

  • 衝撃損傷

  • コア剥離

  • 水分浸入

41.4 X線検査

検出に適する欠陥：

  • ボイド

  • 繊維配向

  • 金属インサート

  • 内部異物

  • 厚さ変化

41.5 シアログラフィ

レーザーせん断干渉法を利用して、剥離および接着欠陥を検出する。

42. 複合材料の修理

代表的な修理方法：

  • スカーフ修理

  • ステップ積層修理

  • 外部パッチ

  • コア交換

  • 樹脂注入

  • ボルト式補強

修理時の確認事項：

  • 損傷範囲

  • 水分除去

  • 表面処理

  • 繊維方向の復元

  • 硬化温度

  • 元の積層構成との整合

  • 修理後の非破壊検査

43. 食品機械における複合材料

43.1 適用可能な材料

  • GFRP

  • CFRP

  • ガラス繊維強化PP

  • ガラス繊維強化PA

  • ビニルエステルFRP

  • 食品接触用エポキシ複合材料

  • セラミックス充填樹脂

43.2 主な用途

  • 装置カバー

  • タンク

  • ダクト

  • 防水パネル

  • ロボットアーム

  • 軽量フレーム

  • 絶縁板

  • 洗浄設備構造物

  • ローラー

  • 配管

43.3 長所

  • 耐食性

  • 軽量化

  • 電気絶縁性

  • 複雑形状の一体成形

  • 低い熱伝導性

  • 表面コーティングを適用可能

43.4 注意事項

  • 繊維露出

  • 樹脂摩耗粉の発生

  • コーティング剥離

  • 水分浸入

  • 洗浄薬品および温度

  • 食品接触適合性

  • 破損時の繊維片発生

  • 微細気孔と衛生性

  • 金属検出が困難

食品接触用途では、母材樹脂だけでなく、完成した複合材料としての適合性確認が必要である。

44. 半導体および精密装置における複合材料

代表材料：

  • CFRP

  • Al-SiC

  • SiC粒子強化アルミニウム

  • セラミックス充填エポキシ

  • ガラス繊維複合材料

  • 炭素／炭素複合材料

主な要求事項：

  • 低い熱膨張

  • 高い寸法安定性

  • 低振動

  • 高い比剛性

  • 低アウトガス

  • 清浄度

  • 電気絶縁または接地機能

  • 精密加工性

45. 主要複合材料の比較

材料

密度

比剛性

耐食性

耐熱性

衝撃特性

代表用途

GFRP

低い

中程度

優秀

樹脂による

良好

タンク、カバー

CFRP

非常に低い

非常に高い

優秀

樹脂による

限定的

航空、ロボット

AFRP

非常に低い

高い

優秀

中程度

非常に優秀

防弾、衝撃部品

ガラス繊維強化プラスチック

低い

中程度

優秀

中程度

グレードによる

射出成形構造部品

炭素繊維強化PEEK

低い

非常に高い

非常に優秀

高い

良好

高性能機械部品

Al-SiC

中程度

高い

中程度

高い

中程度

放熱、精密部品

SiC/SiC

低い

高い

優秀

非常に高い

高い

高温航空部品

C/C

非常に低い

高い

酸化に弱い

最高水準

良好

ブレーキ、熱防護

WC-Co

高い

非常に高い

中程度

高い

中程度

切削工具

サンドイッチパネル

非常に低い

非常に高い

材料による

材料による

コアによる

航空、パネル

46. 部品別の複合材料選定

46.1 軽量構造フレーム

推奨材料：

  • CFRP

  • GFRP

  • アルミニウム-CFRPハイブリッド

  • サンドイッチパネル

46.2 腐食性タンクおよび配管

推奨材料：

  • ビニルエステルGFRP

  • エポキシGFRP

  • 熱可塑性ライナー付きFRP構造

46.3 高速回転部品

推奨材料：

  • CFRP

  • 炭素繊維巻付け金属ローター

  • SiC繊維強化金属基複合材料

46.4 耐摩耗部品

推奨材料：

  • Al-SiC

  • WC-Co

  • セラミックス粒子充填ポリマー

  • 炭素繊維強化PEEK

  • ポリウレタン・繊維複合材料

46.5 高温部品

推奨材料：

  • SiC/SiC

  • C/SiC

  • C/C

  • 酸化物CMC

  • チタン基複合材料

46.6 電気絶縁構造部品

推奨材料：

  • GFRP

  • G10・FR-4

  • ガラス繊維強化PBT

  • アルミナ充填エポキシ

47. 図面および材料仕様書への表記方法

単に「CFRP」「GFRP」または「複合材料」とだけ表記するのは十分ではない。

次の項目もあわせて指定する必要がある。

47.1 母材

例：

  • Epoxy

  • Vinyl ester

  • PEEK

  • PPS

  • Aluminum 6061 matrix

  • SiC matrix

47.2 強化材

例：

  • PAN-based carbon fiber

  • E-glass

  • S-glass

  • Aramid fiber

  • SiC particles

  • Al₂O₃ fiber

47.3 強化材含有量

例：

  • Carbon fiber：60 vol.%

  • Glass fiber：30 wt.%

  • SiC particles：20 vol.%

47.4 強化材形態

  • 一方向繊維

  • 織物

  • 編組繊維

  • 短繊維

  • チョップドストランドマット

  • 粒子

  • ウィスカー

47.5 積層構成

例：

  • [0/90]s

  • [0/+45/-45/90]2s

  • Quasi-isotropic laminate

47.6 成形工程

  • Autoclave

  • RTM

  • Vacuum infusion

  • Filament winding

  • Pultrusion

  • Compression molding

  • Injection molding

47.7 ボイド率

例：

  • Void content ≤ 2 vol.%

  • Porosity ≤ 1%

47.8 表面および検査要求

  • 表面粗さ

  • 塗装またはゲルコート

  • 許容層間剥離寸法

  • 超音波検査等級

  • 穴周辺の損傷基準

  • 繊維露出禁止

48. 複合材料の選定手順

48.1 機能の確認

  • 軽量構造物か。

  • 耐食部品か。

  • 電気絶縁部品か。

  • 耐摩耗部品か。

  • 高温部品か。

  • 振動減衰が必要か。

  • 食品と接触するか。

48.2 荷重の確認

  • 引張

  • 圧縮

  • 曲げ

  • せん断

  • ねじり

  • 衝撃

  • 疲労

  • 局部接触

  • 締結荷重

48.3 方向性の確認

  • 主荷重方向

  • 横方向荷重

  • せん断荷重

  • ねじり

  • 多軸荷重

  • 熱膨張方向

48.4 環境の確認

  • 温度

  • 水分

  • 紫外線

  • 酸

  • アルカリ

  • 溶剤

  • 燃料

  • 真空

  • 放射線

  • 洗浄薬品

48.5 製造性の確認

  • 金型

  • 積層数

  • 成形圧力

  • 硬化温度

  • 生産数量

  • 部品寸法

  • 後加工

  • 検査

  • 修理可能性

48.6 信頼性の確認

  • 繊維配向

  • ボイド率

  • 層間強度

  • 衝撃損傷

  • 疲労

  • 吸湿劣化

  • 熱サイクル

  • 接着部寿命

  • 製造ばらつき

49. 最終まとめ

複合材料は、単に2種類の材料を混ぜたものではない。

実際の性能は、次の要素によって決定される。

  • 母材の種類

  • 強化材の種類

  • 強化材含有量

  • 繊維長さ

  • 繊維方向

  • 積層順序

  • 界面接着

  • ボイド率

  • 成形圧力

  • 硬化条件

  • 製造欠陥

  • 使用環境

  • 荷重方向

高分子基複合材料は、低密度、高い比強度、耐食性および成形性を持ち、最も広く使用されている。

GFRPは、経済性、電気絶縁性および耐食性に優れ、タンク、配管、カバーおよび一般構造物に適する。

CFRPは、高い比強度と比剛性、低い熱膨張を持ち、航空機、ロボット、精密機械および高速回転部品に適する。

AFRPは、高い靭性と衝撃吸収性を持ち、防弾材、保護具および耐衝撃部品に適する。

短繊維強化熱可塑性樹脂は、射出成形性と構造性能を組み合わせており、金属部品の代替に適している。

金属基複合材料は、金属の靭性と熱伝導性を維持しながら、セラミックス強化材によって剛性、耐摩耗性および熱膨張特性を改善する。

セラミックス基複合材料は、繊維と界面層によってセラミックスの脆性破壊を緩和し、高温での構造性能を維持する。

積層複合材料は、繊維方向と積層順序を調整することにより、必要な方向へ強度と剛性を配置できる。

サンドイッチ構造は、薄い高強度表皮材と軽量コアを組み合わせ、非常に高い曲げ比剛性を提供する。

一方、複合材料は層間剥離、界面劣化、ボイド、繊維配向ばらつきおよび衝撃損傷に敏感である。

したがって、複合材料の選定では、「CFRP」「GFRP」または「複合材料」といった一般名称だけで判断してはならない。

次の項目を総合的に指定し、確認する必要がある。

  • 母材の種類

  • 強化材の種類とグレード

  • 質量分率および体積分率

  • 強化材の形態と長さ

  • 繊維方向

  • 積層構成

  • 界面処理

  • 成形工程

  • ボイド率

  • 熱的特性

  • 環境耐性

  • 検査方法

  • 修理方法

  • 供給メーカーの材料グレード

複合材料の選定とは、最も強い繊維を選ぶ作業ではない。

荷重方向、重量、使用環境、製造工程、接合方法、検査要求および使用寿命に応じて、母材と強化材の組合せ、含有量、方向および積層構造を設計するプロセスである。