次世代構造材料の最新技術 〜社会・産業へのインパクト〜

技術者・研究者向けの書籍紹介

次世代構造材料の最新技術　〜社会・産業へのインパクト〜

発刊日 2008年5月　ISBN: 978-4-7813-0020-7
体　裁 B5判・341頁

刊行のねらい
　構造材料は，成熟産業の成熟材料で，新たな展開が期待できない分野とされ，長期的な研究開発戦略が練られることも，主要な研究プロジェクトが実施されることもなかった。しかし，構造材料を取り巻く環境は大きく変化している。人々は，グローバル化により，物，資金，情報の流れを妨げる壁が撤去され，世界の市場が共通のものとなり，社会・経済環境が一変したことを肌で感じている。それに適合する社会・経済構造とすることを政府に強く求めている。特に科学技術には，社会・経済に直接貢献することを求めており，CO2による地球温暖化等の環境問題やエネルギー問題に即応し，新たな雇用を創出して生活水準を維持・向上させ，さらには，安全・安心で快適な生活環境を期待している。構造材料は，このような問題に対応し，期待に応えていくのに，大きな役割を担うことになる。CO2削減のための高効率エネルギー機器用セラミック等の耐熱構造材料，燃費向上のための炭素繊維強化プラスチックやスーパーエンプラ等の軽量・高強度構造材料，世界のインフラの新設・増設のための高耐食・高強度鋼等の高性能構造材料，安全・安心社会のためのスマート構造材料，次世代ロボットや宇宙航空用のカーボンナノチューブ構造材料などである。
　このような社会・経済の変化に対応できる構造材料とするためには，研究開発を見直し，長期的な戦略を構築しなければならないであろう。そこで，（財）池谷科学技術振興財団の研究・調査推進費の補助を受け，「次世代構造材料調査委員会」を（社）未踏科学技術協会内に発足させ，次世代構造材料の最新の研究について調査・分析し，研究開発推進の指針を得ることとした。調査委員は次世代構造材料の各分野の専門家で構成され，次世代構造材料研究開発の問題点，今後の在り方，最新の研究を把握する方法について討議した。第1編の「次世代の社会・産業が必要とする構造材料」は，この議論を踏まえて作成した。有力な次世代構造材料を対象とした各編の構成はそれぞれの材料担当委員が企画し，取りまとめた。
　我が国の構造材料を含めた材料技術の水準は高く，世界をリードしている。この高い技術水準をさらに高め，また，積極的に活用して，社会・経済が必要とする分野においてイノベーションを起こすような最終製品として応用・実用化することが強く求められている。構造材料の開発には，長期間の研究が必要であり，応用・実用化には高度の戦略性が必要となる。今回，取りまとめた「次世代構造材料の最新技術」が，そのための資料・指針となることを期待したい。

（「はじめに」より抜粋）

2008年5月
次世代構造材料調査委員会　委員長
（独）物質・材料研究機構　材料ラボ　リサーチアドバイザー 　　新谷紀雄

書籍の内容

【第1編　次世代の社会・産業が必要とする構造材料】

次世代の社会・産業が必要とする構造材料（新谷紀雄）

1.　はじめに
2.　次世代構造材料がもたらすイノベーション
　　2.1　環境問題改善のための構造材料（耐熱材料）
　　2.2　省エネルギーのための構造材料（軽量材料）
3.　グローバル化がもたらす経済膨張を支える構造材料
　　3.1　エネルギー需要急増に対応する次世代構造材料
　　3.2　世界規模の物流の大規模化，高速化を支える構造材料
4.　安全・安心社会を支え，未来を切り開く構造材料
　　4.1　安全・安心社会を支えるスマート材料・構造技術
　　4.2　夢のある次世代とするための構造材料

【第2編　カーボンナノチューブ構造材料研究の最先端】

第1章　構造材料としてのカーボンナノチューブ（林卓哉，遠藤守信）
1.　はじめに
2.　ナノコンポジット構成要素としてのCNT
3.　CNT複合材料の利用例
4.　構造材料としてのCNTの課題

第2章　カーボンナノチューブ分散高分子材料（榎本和城，大竹尚登）
1.　はじめに
2.　CNT及びCNT複合材料の特性
3.　CNT複合材料の射出成形
4.　CNT複合材料の導電現象
5.　CNT複合材料の摩擦摩耗特性
6.　樹脂基CNT複合材料のナノダイナミクス評価
7.　まとめ

第3章　カーボンナノチューブ強化金属基複合材料（増田千利）
1.　カーボンナノチューブ（CNT），ナノファイバー（CNF）およびカーボン繊維強化（CF）Al，MgMMCの検討例
　　1.1　メカニカルミーリングによるCNT/Al複合化の例
　　1.2　SiコートCNF強化Mg複合材料の製造例
　　1.3　エラストマーによる前処理したCNT強化Al基複合材料
2.　まとめ
3.　今後の展開

第4章　カーボンナノチューブ（CNT）ファイバ・シートの作製と強度性能（唐捷，新谷紀雄）
1.　はじめに
2.　カーボンナノチューブ（CNT）ファイバ
　　2.1　通常紡糸（spinning）法によるCNTファイバの作製
　　　　2.1.1　湿式紡糸（wet-state spinning）法によるCNTファイバの作製
　　　　2.1.2　電界紡糸（electro spinning）法によるCNTファイバの作製
　　2.2　直接紡糸（dry-state spinning）法によるCNTファイバの作製
　　2.3　電気泳動法によるCNTファイバの作製
3.　カーボンナノチューブ（CNT）シート
　　3.1　Bucky PaperによるCNTシートの作製
　　3.2　直接紡糸（dry-state spinning）法によるCNTシートの作製

第5章　カーボンナノチューブ（CNT）構造材料の応用化・実用化の試み（新谷紀雄，唐捷）
1.　CNT構造材料の応用化・実用化の現状
　　1.1　応用化・実用化の現状
　　1.2　応用化・実用化のための研究プロジェクト
2.　宇宙構造物への応用（NASAでの試み）
　　2.1　NASA Ames Research CenterにおけるCNT研究
　　2.2　NASAにおけるCNT構造材料に関する研究計画及び構想
3.　航空機への応用
　　3.1　将来の航空機への応用
　　3.2　旅客機への応用
4.　スポーツ・レジャー用品への応用
5.　他の分野への応用
　　5.1　自動車への応用
　　5.2　防衛及びセキュリティ分野への応用

第6章　カーボンナノチューブ構造材料研究の課題と期待される応用展開（荒井政大，遠藤守信）
1.　さまざまな複合材料とその現状
2.　炭素繊維強化複合材料へのカーボンナノチューブの適用
3.　カーボンナノチューブ複合材料の現状
4.　カーボンナノチューブ複合材料の最新研究例
　　4.1　熱可塑性樹脂／カーボンナノチューブ複合材料の機械的特性評価
　　4.2　マグネシウム合金／カーボンナノチューブ複合材料の機械的特性評価
　　4.3　CNTインターレイヤーにより強化されたCFRP積層板の層間破壊靭性値
5.　カーボンナノチューブの構造材料への適用における課題

【第3編　先進複合材料の研究開発動向】

第1章　先進複合材料の研究―この15年の進歩と今後の動向（石川隆司）
1.　はじめに
2.　複合材料の基礎である一方向強化材あるいは強化繊維特性に関する研究
3.　ナノフィラーの添加による複合材料の改質・強化・多機能化に関する研究
4.　樹脂の耐熱性の向上と耐熱樹脂の開発に関連した研究
5.　力学特性の解明に関するこの15年の進歩
6.　おわりに

第2章　炭素繊維の最近の進歩と研究開発動向（松久要治）
1.　はじめに
2.　炭素繊維の分類
3.　炭素繊維の製造プロセス
4.　炭素繊維の特徴
5.　炭素繊維の性能向上
　　5.1　引張特性
　　5.2　圧縮特性
　　5.3　樹脂接着特性
6.　炭素繊維の多様化
7.　炭素繊維の今後の課題
8.　まとめ

第3章　航空宇宙分野における研究開発動向＜航空宇宙分野での先進複合材料の応用ニーズ等将来展開＞（平博仁，伊牟田守）
1.　はじめに
2.　複合材料の機体への適用動向
3.　今後の開発課題の概要
4.　主要な研究開発動向
　　4.1　特長ある材料，新製造技術の適用
　　　　4.1.1　特長ある材料としての低コスト複合材料開発
　　　　4.1.2　新製造技術の開発適用　　
　　4.2　損傷検知等の複合材料の課題改善
　　4.3　複合材料の機能化
　　　　4.3.1　耐熱複合材料
　　　　4.3.2　ナノテクを利用した複合材料機能化
　　4.4　複合材料をいっそう活用するための技術の開発，等
5.　まとめ

第4章　C/C複合材料（八田博志）
1.　はじめに
2.　強度
　　2.1　繊維／マトリックス界面強度
　　2.2　引張強度
　　2.3　圧縮強度
　　2.4　剪断強度
3.　破壊靭性
4.　疲労強度
5.　クリープ
6.　まとめ

【第4編　構造用セラミックスの最近の進歩】

第1章　モノリシックセラミックスの高強度化・高靱性化と実用部材開発
1.　非酸化物系セラミックス（大司達樹）
　　1.1　はじめに
　　1.2　窒化ケイ素の微細構造制御
　　1.3　窒化ケイ素の微細構造制御と粒界制御
　　1.4　窒化ケイ素多孔体の微細構造制御
2.　酸化物系セラミックス（北英紀，吉澤友一，北岡諭）
　　2.1　はじめに
　　2.2　高強度，高靭性アルミナ
　　2.3　難濡れ，耐熱衝撃性（鋳造部材）
　　2.4　精密・離型性（精密型）
　　2.5　低摩擦性（各種摺動部品）
　　　　2.5.1　油潤滑下での低摩擦化
　　　　2.5.2　水潤滑下での低摩擦化
　　2.6　その他ものづくりを支える生産用部材
　　　　2.6.1　精密加工性・マシナブル性（回路基板ロウ付け治具）
　　　　2.6.2　超精密成形（ボンディングキャピラリー，フェルール）
　　　　2.6.3　耐熱衝撃性，安定性（セッター，キルンファニチュアー）
　　　　2.6.4　大型化（液晶露光装置テーブル）
　　2.7　今後の課題
3.　超塑性セラミックス（平賀啓二郎）
　　3.1　はじめに
　　3.2　セラミックスの超塑性
　　3.3　応用分野と高速超塑性の必要性
　　3.4　高速化のための材料設計指針
　　3.5　セラミックスにおける高速超塑性の発現
　　3.6　今後の課題と展望

第2章　複合セラミックスの高強度化・高靭性化と実用部材
1.　長繊維強化セラミックス（石川敏弘）
　　1.1　炭素繊維及びそのセラミックス複合材料
　　1.2　酸化物繊維とそのセラミックス複合材料
　　1.3　炭化ケイ素系繊維とそのセラミックス複合材料
　　1.4　繊維結合型セラミックス（SA-Tyrannohex）の優れた高温特性
2.　自己組織化による複合セラミックス（小島隆，山口十志明）
　　2.1　はじめに
　　2.2　アルミネート複合系
　　2.3　フェライト複合系
　　2.4　おわりに
3.　一方向凝固共晶複合セラミックス（和久芳春）
　　3.1　はじめに
　　3.2　MGC材料
　　　　3.2.1　製造方法
　　　　3.2.2　組織
　　　　3.2.3　曲げ強度の温度依存性
　　　　3.2.4　組織の解析と制御
　　　　3.2.5　耐極限環境特性
　　　　3.2.6　実用化の可能性検討
　　　　3.2.7　MGC材料の今後の展開
　　3.3　海外の研究
　　3.4　おわりに

第3章　セラミックスコーティング技術開発と産業化
1.　熱遮蔽コーティング技術（長谷川誠，香川豊）
　　1.1　はじめに
　　1.2　熱遮蔽コーティングの現状と開発状況
　　　　1.2.1　BC層
　　　　1.2.2　TBC層
　　　　1.2.3　低熱伝導率材料
　　1.3　使用環境下での熱遮蔽コーティングの損傷の特徴
　　1.4　熱遮蔽コーティングの寿命・信頼性評価
　　　　1.4.1　損傷・剥離の検出
　　　　1.4.2　界面剥離特性の測定
2.　機能強化コーティング技術（後藤孝）
　　2.1　はじめに
　　2.2　CVDによる構造用セラミックスの高速成膜
　　2.3　レーザーCVDによる構造用セラミックスの作製
　　　　2.3.1　ガスタービンブレードへの高速多孔質YSZコーティング
　　　　2.3.2　工具材への高硬度α-Al2O3コーティング
　　　　2.3.3　耐プラズマエッチング用Y2O3コーティング
　　　　2.3.4　生体適合性ハイドロキシアパタイトコーティング
　　2.4　まとめ

第4章　新分野を開拓したセラミックス
1.　高熱伝導率セラミックスの最近の進歩（渡利広司，粂正市，山田伊久子，中野裕美）
　　1.1　はじめに
　　1.2　高熱伝導率・高快削性セラミックス
　　1.3　高熱伝導率・低体積抵抗率セラミックス
　　1.4　高熱伝導率セラミックスの局所熱伝導率測定技術
　　　　1.4.1　局所熱伝導率の測定技術
　　　　1.4.2　β-Si3N4セラミックス
　　　　1.4.3　AlNセラミックス
　　　　1.4.4　SiCセラミックス
　　1.5　高熱伝導率セラミックフィラー
　　1.6　高熱伝導率SiCセラミックスの熱伝導メカニズム
　　1.7　おわりに
2.　排ガス浄化用セラミックス（牧野幹生）
　　2.1　はじめに
　　2.2　ハニカムセラミックス
　　2.3　ハニカムセラミックスの製法
　　2.4　ハニカムセラミックスの用途
　　　　2.4.1　薄壁ハニカム
　　　　2.4.2　ディーゼル用ハニカムセラミックス
　　　　2.4.3　ディーゼルパティキュレートフィルター（DPF：Diesel Particulate Filter）
　　　　2.4.4　産業用ハニカム
3.　生体用セラミックス（奥山雅彦，澤村武憲）
　　3.1　はじめに
　　3.2　焼結型骨補填材
　　3.3　形態付与型骨補填材
　　3.4　まとめ

【第5編　エンジニアリングプラスチックの最近の動向】

第1章　エンジニアリングプラスチックの最近の動向（柿本雅明）
1.　はじめに
2.　高分子液晶
3.　ポリイミド
4.　おわりに

第2章　PBO繊維―超高強度の秘密（矢吹和之）
1.　はじめに
2.　PBO繊維の物性と製法
3.　液晶紡糸と伸びきり鎖構造
4.　伸びきり鎖構造と分子不整
5.　おわりに

【第6編　スマート材料・構造の開発と応用】

第1章　スマート材料・構造研究の経緯と現状（新谷紀雄，座古勝）
1.　スマート材料・構造とは―コンセプトと研究の推移―
2.　スマート材料・構造のキーテクノロジー
　　2.1　光ファイバセンサ技術
　　2.2　圧電セラミック技術
3.　スマート材料・構造の応用例
　　3.1　スマートヘルスモニタリング技術の橋梁への応用
　　　　3.1.1　連邦政府及び各州の取り組み
　　　　3.1.2　スマート橋梁の建設
　　　　3.1.3　経年劣化橋のスマート化
　　3.2　アクティブ構造の次世代航空機への応用
　　　　3.2.1　Morphing Project
　　　　3.2.2　ヘリコプターロータブレードのアクティブ制御
4.　スマート材料・構造の応用と市場化
　　4.1　スマート橋梁の産業へのインパクト
　　4.2　これからのスマート材料・構造技術の応用が期待される分野

第2章　アクチュエータ材料と制御機能構造物（古屋泰文）
1.　はじめに
2.　アクチュエータ材料の分類
　　2.1　はじめに
　　2.2　アクチュエータ材料
　　　　2.2.1　電気粘性流体
　　　　2.2.2　形状記憶合金
　　　　2.2.3　圧電材料
　　　　2.2.4　磁歪材料
　　　　2.2.5　電歪材料
　　　　2.2.6　熱的材料
　　2.3　アクチュエータ材料への特性要求
3.　アクチュエータ材料の研究事例および新展開
　　3.1　フェロイクス要素機能材料
　　　　3.1.1　形状記憶・超弾性合金（SMA）
　　　　3.1.2　圧電・電歪セラミックス
　　　　3.1.3　磁歪合金
　　3.2　マルチフェロイクス材料・デバイス研究の現状と展開
　　　　3.2.1　複合機能化スマートデバイスへの研究事例
　　3.3　知的（スマート）複合材料システムによる制御機能構造物
　　　　3.3.1　形状記憶合金強化複合材料システム（突発破壊防御機能）
　　　　3.3.2　スマートコンポジットボード（自己診断・修復機能）
　　　　3.3.3　機能融合型スマートマテリアル（振動制御）
4.　まとめ＝知的（スマート）制御用材料・構造システム設計原理と注意点

第3章　航空宇宙機への構造ヘルスモニタリング技術の応用（武田展雄）
1.　はじめに
2.　『知的材料・構造システムの研究開発』プロジェクトでの構造ヘルスモニタリング技術
　　2.1　細径ファイバセンサの開発と部分構造適用
　　2.2　損傷検出・損傷抑制デモンストレータ試験
3.　再使用ロケットCFRP製LH2燃料タンクの飛行中リアルタイムひずみ計測
4.　次世代航空機構造部材のための「構造健全性診断技術」
　　4.1　航空機主／尾翼BOX構造の損傷モニタリングシステムの研究開発
　　4.2　高信頼性先進グリッド構造（AGS）による航空機一次構造モニタリング技術の開発
　　4.3　光周波数変調ブリリアン散乱計測法（BOFDA）による構造センシング技術の開発
5.　まとめ

第4章　自己修復材料研究（新谷紀雄）
1.　自己修復材料研究の国内外の実施状況
2.　高分子材料の自己修復
　　2.1　クラックの自己修復―マイクロカプセル等の分散による修復―
　　2.2　衝撃破壊の自己修復―イオノマーによる自己修復―
　　2.3　高分子主鎖切断の再結合―酸化還元反応を利用した自己修復―
3.　金属の自己修復
　　3.1　耐熱鋼の自己修復―クリープボイドの自己修復―
　　3.2　アルミ合金の自己修復―疲労損傷の自己修復―
4.　セラミックの自己修復
5.　コンクリートの自己修復
　　5.1　セメントの水和反応を利用したクラック自己修復
　　5.2　バクテリアを使用する自己修復