アルミニウム・圧縮木材ハイブリッド複合部材の開発と塑性加工
東京都立工業高等専門学校 機械工学科
講師 長谷川収（平成 14 年度研究開発助成 AF-2002017）キーワード：アルミニウム板材・圧縮木材ハイブリッド複合部材，曲げ強度，破壊エネルギー吸収能１．研究目的と背景
わが国は世界有数の森林資源を持つが，木材の有効利用がなされているとは言い難く，80％は外国産材が用いられている １ ）．木材は，工業用材料としては強度や表面硬度が低く，寸法精度も得にくいためにその地位を失っていたが，近年，人に優しい素材として土木，建築，機械の分野で木材を利用する動きが高まってき

H0ている．

Hc
Hc

既往の研究では，スギ材の圧縮率が 50％のときの曲率が高いほど圧縮に要するエネルギーが小さくてすむ
こと ２），A6063-T5 押出し角管に圧縮率が 50％のスギ材を充てんして曲げると，充てんしない中空管に比べ，加工後加工前げ強度は，未圧縮材に比べると 1.5〜2 倍に達し，含水

図1

圧縮加工前後の木材横断面と金型
表1横断面で見た曲げ試験用供試材の種類

曲げ強度，変形エネルギーが大幅に増し，また角管にnよる拘束が，木材の繊維に平行に生じるき裂の進展を遅らせることなどが明らかになっている

0３）．

本研究では，木材を圧縮塑性加工することで構造材

2BendingLoadとしての強度，硬さを向上させると同時に，アルミニ
ウム板材と複合することで木材の脆さを改善し，曲げ1CR0における強度や破壊エネルギー吸収能の向上を図るこ
A6061-T4 sheetとを目的として，それらの評価を行った．

２．材料の製作と実験方法

0.5

2.1 アルミニウム板材・木材ハイブリッド複合材用の製造使用した木材は奥多摩産のスギ辺材で，横断面は0.67

40mm×20mm，長さ 300mm で，複合するアルミニウム合金板は A6061-T4,幅 20mm，板厚 1mm，長さ 300mmである．
木材は 80℃で 30 分煮沸して可塑化し，プレス機で高Rp=10mm

さが 1/2 ないし 1/3 になるまで板目面方向に圧縮する（図 1）．この圧縮率（CR）を 0.5，0.67 と表す．さらに，金型に入れたまま 180℃で 60 分，炉内で乾燥する．
比較のため，未圧縮材（CR=0）も用意した．

Rd=15mmmm
ls=240mm

これらの木材の圧縮面に，接着剤（ハードロック
M-372-20）を用い，上記のアルミニウム合金板材を表 1

図2

曲げ試験概観に示すように，1 枚ないし 2 枚接着した．比較のため，

3.1 破壊形態に及ぼすアルミニウム板の影響接着しない木材も用意した．これらの接着枚数を n で

図 3 は，アルミニウム合金板材を接着しない場合表すこととする（n=0，1，2）．

（n=0）の試験片の破壊形態を示す．この場合は，引張側外表面から層間はく離が生じる．なお，(c)や(d)のよ

2.2 強度評価試験方法

うに圧縮率が高くなると，層間はく離が著しくなり，木材は圧縮や曲げモーメントを受ける状態で使用さ特に(d)などは，曲げの早い時期からはく離が生じた例れることが多い．そこで，本研究では 3 点曲げによっである． 一方，アルミニウム板を接着した場合（n=1,2）て強度評価を行った．試験装置の外観および寸法を図 2には層間はく離は生じにくい（図 4，図 5）．接着されに示す．曲げ荷重の方向は表 1 に示す方向である．曲

たアルミニウム板がはがれる際に，木材は局部的に折げ荷重 P [kN]とパンチ押込み量 Sf [mm]を測定し，荷重れるように破壊する．例えば，図 4(c)，図 5 に示すよ−ストローク線図を作成した．最大荷重を Pmax とするうな状態である．と，最大曲げ応力 σmax を次の式で定義する．
σmax ＝Pmax ls / 4Z×

103 [MPa]

図 5(b)，及び(c)は，n=2 で圧縮側のアルミニウム板がはがれた例であるが，引張側のアルミニウム板がは…（１）がれた場合も，木材の破壊形態に差異はない．

また，曲げの際の吸収エネルギーU [J]は，破壊に至るまでの荷重−ストローク曲線下の領域の面積とする．

3.2 荷重―ストローク曲線と破壊形態の関連3.1 で述べた層間はく離が急速に進展するような場
合，すなわちアルミニウム合金板材を接着しない場合（n=0）は曲げ応力の低下も速く，脆性的な破壊である（図 6(a)）．また，圧縮材は年輪数が多く，層間はく離(a)CR=0(b)CR=0.5(c)CR=0.67(d)CR=0.67

図3

図3 アルミニウム板を接着しない場合の破壊形態
アルミニウム板を接着しない場合の破壊形態(a)未圧縮，(b)圧縮率0.5, (c)圧縮率0.67,中央部，高さ方(a)未圧縮，(b)圧縮率0.5, 圧縮率0.67,早い時期から層間(c)圧縮率 0.67,中央部，向に亀裂が進展した例，(d)はく離が発生した例
高さ方向に亀裂が進展した例，(d)圧縮率 0.67,早い時期から層間はく離が発生した例

３．試験結果と考察

図4

引張側のみにアルミニウム板を接着した場合の破壊形態(a)未圧縮, (b)圧縮率 0.5, (c)圧縮率 0.67

をそれだけ多くの箇所で発生しながら破壊が進むので，曲げ応力が段階的に低下していき，結果的にパンチ押また，圧縮側に接着したアルミニウム板の効果は小さかった．

込み量，すなわち変形量を増大させている．
一方，アルミニウム板を接着した場合（n=1,2）には，荷重が低下するまでのパンチ押込み量が特に増大し，3.4 圧縮率およびアルミニウム板が最大曲げ応力に及ぼす影響吸収エネルギーも大きいことがわかる（図 6(b),(c)）．

図 7 から，最大曲げ応力は圧縮率と正の相関がある

なお，未圧縮材は圧縮材に較べ，なだらかな曲げ応ことがわかる．図 7(a)に示したように，アルミニウム力の低下がみられるが，これは圧縮加工中に生ずる木合金板材を接着しない場合は，未圧縮材本来の強度が材内部の損傷がないためと考えられる．ただし，圧縮低いためにその差が顕著で，未圧縮材に比べ，1/3 圧縮材に対して木材自体の強度が低いため，パンチの押込材（CR=0.67）は曲げ強度が最大で 2.5 倍に向上した．

みによって高さ方向の潰れが生じやすいため，パンチ押込み量は見かけ上大きく評価しているという問題点は含んでいる．

一方，複合するアルミニウム合金板の影響としては，接着されていない木材よりも，接着された木材の方がに及ぼす影響
図 6 中の表に示したように，n=0，1，2 いずれの場合においても，圧縮率が高いほど吸収エネルギーの平均値は高くなった．例えば，引張側にアルミニウム板を接着した場合，吸収エネルギーとパンチ押込み量は，未 圧 縮 材 で は ， そ れ ぞ れ 5 倍 ， 3.2 倍 ， 1/3 圧 縮 材

Bending stress；σ[MPa]3.3 圧縮率およびアルミニウム板が吸収エネルギー（CR=0.67）では，それぞれが 2.8 倍，2.5 倍となった．

200180160140120100806040200U [J]U [J], S f[mm]

CRMax

Min0

11.3

4.02 6.48, 9.54

Ave.

0.5

6.3

10.0 14.8, 10.00.67

24.7

13.1 18.7, 10.6(a) n=005

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Bending stress；σ[MPa]Stroke；S[mm]20018016014012010080
60
40200U [J]U [J], S f[mm]

CRMax

Min

Ave.

084.1

13.032.2, 30.6

0.5

58.6

8.32 36.6, 20.8

0.67

62.7

11.4 52.6, 26.1(b) n=105

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Bending stress；σ[MPa]Stroke；S[mm]200180160140120100806040200U [J]U [J], S f[mm]CRMax

MinAve.

092.8

8.52

33.3, 30.90.5

78.8

15.5

45.1, 21.70.67

58.4

11.6

50.6, 21.5(c)n=205

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Stroke；S[mm]CR=0: 未圧縮材
CR=0.5: 1/2圧縮材
CR=0.67: 1/3圧縮材

図5

引張・圧縮両面にアルミニウム板を接着した場合の破壊形態(a)未圧縮, (b)圧縮率 0.5, (c)圧縮率 0.67

図6 接着するアルミニウム板の数と，木材の圧縮率の違いにおける曲げ応力‐パンチストローク曲線

1.2 倍程度，曲げ強度が高いことがわかった．また，ア５．謝辞
本研究に対し，助成いただいた（財）天田金属加工

ルミニウム合金板を圧縮側に接着する効果は小さいと機械技術振興財団に厚く感謝申し上げます．

いえる（図 7(b)，(c)）．

４．まとめ

参考文献
1) 林野庁：林業白書(2000)，日本林業協会．

本実験に用いたスギ材は，未加工の状態では急速に進展する層間はく離を生じやすいが，圧縮加工したり，

2) 浅葉将之，西村尚：機論 A，67-654(2001),83.

アルミニウム板を複合することにより，次のような効

3) 林進，西村尚：機論 A，67-656(2001),163.

果が得られた．
（１）木材の圧縮率が高いほど曲げ強度が向上し，吸収エネルギーも増大する．
（２）引張側にアルミニウム合金板材を接着すると層間はく離の発生が遅れるため，荷重が大幅に低下するまでのパンチ押込み量が増加し，吸収エネルギーも増大する．

210

210σmax
Ave.

170
150
130110907050170150
130110907050300.1

0.20.30.4

0.50.60.7

170
150130110907050300σmax
Ave.

190

最大曲げ応力 σmax [MPa]190

最大曲げ応力 σmax [MPa]

最大曲げ応力 σmax [MPa]

190

210

σmax
Ave.

00.1

0.2

0.3

0.4

CRCR(a) n=0(b) n=1

0.5

0.6

0.7

3000.1

0.2

0.3

0.4

CR(c) n=2

図7 接着するアルミニウム板数の違いによる，木材の圧縮率が最大曲げ応力に及ぼす影響

0.5

0.60.7