サンドイッチ構造

サンドイッチ構造とは、複合材料構造の一形態であり、軽量で比較的厚みを有するコア材の両側に、薄くかつ高い強度と剛性を備えた表板を貼り合わせて構成される構造である。

このような構成により、サンドイッチ構造は軽量性、高剛性および高強度といった典型的な特性を有する。

 紹介 
サンドイッチ構造が曲げ荷重を受ける場合、その力学的作用原理は、ある意味において I形鋼 に類似している。すなわち、I形鋼のフランジが平面内の圧縮および引張荷重を負担するのと同様に、サンドイッチ構造においては表板がこれらの荷重を負担する。一方、I形鋼のウェブがせん断荷重を負担するのと同様に、サンドイッチ構造ではコア材が主としてせん断荷重を担う。

従来のI形鋼と同様に、上下の表板間の距離を大きくすることで、構造全体の剛性は比例的に向上する。より厚いコア材を用いることによっても同様の効果が得られるが、コア材は低密度であるため、全体として軽量性を維持することが可能であり、その結果、高い剛性―重量比が実現される張 鉄亮，衛星サンドイッチ構造の解析および構造設計に関する研究，博士学位論文，南京航空航天大学，2012年。

サンドイッチ構造は、力学性能を維持したまま大幅な軽量化を達成できる点に大きな特長を有する。軽量化は、航続距離の増加、搭載荷重の拡大、燃料消費量の低減など、さまざまな利点をもたらし、これらはコスト削減や環境負荷の低減にも寄与する。こうした背景から、サンドイッチ構造を用いた複合材料の応用は、近年ますます拡大している。

 特徴 
サンドイッチコア複合材料は、高い剛性―重量比を有するだけでなく、コア材および表板の材料を適切に選択することにより、用途に応じたさまざまな機能を付与することが可能である。

 難燃性・低発煙性・低毒性（FST：Flame, Smoke, Toxicity）

バス、鉄道車両、航空機などのように人員が高度に密集する空間においては、適切なコア材（例えば AIREX 製 PET フォームなど）を選定することにより、サンドイッチコア複合材料に難燃性・低発煙性・低毒性（FST）といった特別な機能を付与することが可能である。

一部の構造用コア材は、その特有の構造形態および原材料特性により、有毒ガスの発生を抑制しつつ自己消火性を発現することができる。一方、断熱性を有する高分子系コア材は、一般に微細な多孔構造から構成されており、これらの微細孔内に封入された空気によって、断熱および断冷効果を発揮する。

 遮音性

同様に微細な多孔構造に基づき、適切な材料をコア材として選定することにより、サンドイッチコア複合材料に優れた遮音性能を付与することが可能である。このような特性は、高速鉄道や航空分野をはじめとする輸送機器分野において、すでに広く実用化されている。

 耐食性

サンドイッチ構造複合材料の表板には、必ずしも高い剛性を有しないものの、優れた耐衝撃性および耐食性を備えた材料が選択される場合が多く、代表例としてガラス繊維強化プラスチック（GFRP）が挙げられる。

例えばヨットの船体構造においては、GFRP を表板とし、AIREX 製 PET フォームやバルサ材（BALTEK 木材）をコア材としたサンドイッチ構造複合材料が広く用いられている。このような構成により、高塩分かつ高腐食環境下においても良好な耐久性を確保できるだけでなく、断熱性、耐衝撃性、防火性などの複数の機能を同時に実現することが可能である。

これらの特長から、サンドイッチ構造複合材料は、船舶構造や海中・海底構造物への適用において有力な材料選択肢となっている。

 誘電特性

一部のコア材は優れた誘電特性を有しており、電磁波に対する干渉を効果的に遮断することが可能である。この特性を利用することで、レドーム、レーダ装置用の球状保護構造物、さらにはX線機器用の遮蔽構造などの設計および構築が可能となる。

 組成 
最も典型的なサンドイッチ構造複合材料は、表板、コア材、および接着層から構成される。

 表板

表板は、サンドイッチ構造において引張および圧縮応力を主として負担する要素である。一方、表板単体としての局所的な曲げ剛性は一般に小さく、その影響は無視できる場合が多い。

表板材料としては、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、ガラス繊維強化プラスチック（GFRP）などの従来材料が広く用いられてきた。近年では、炭素繊維の急速な発展に伴い、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）もサンドイッチ構造複合材料における主要な表板材料の一つとなっている。

 コア材

コア材の主な役割は、表板を支持して内外方向への曲げ変形を抑制し、両表板を所定の位置関係に保持することである。コア材は一般に低密度材料であるため、同等の荷重を負担する非サンドイッチ構造材料と比較して、サンドイッチ構造材料の質量を大幅に低減することが可能となる。

また、コア材の導入によって表板間距離が拡大され、これに伴いサンドイッチ構造断面の断面二次モーメントが増大する。その結果、構造全体の曲げ剛性および強度は向上する。したがって、コア材にはこれらの機能を十分に発現させるため、一般に良好なせん断強度が求められる。

 接着層

表板とコア材が協調して機能するためには、両者間の接着剤が界面に生じるせん断力を確実に伝達できることが不可欠である。接着剤には、せん断応力および引張応力の双方を負担できる力学特性が求められる。一般に、接着層は樹脂系材料によって構成される。

 生体模倣強化構造（バイオミメティック強化構造） 
生体模倣強化サンドイッチ構造の研究は、自然界に存在する生物の耐荷構造に対する体系的な観察に端を発している。初期の生体力学研究では、甲虫の鞘翅内部構造に対する顕微解析を通じて、その内部が単純なハニカム構造ではなく、ハニカム状空隙と多数の柱状支持ユニットが広く分布した複合的支持体系によって構成されていることが明らかにされた陳 錦祥，岩本 正治，倪 慶清，倉舗 憲，斎藤 憲司，甲虫上翅の断面構造とその最適性，材料，49巻4号，pp. 407–412，2000年.。関連研究によれば、このような多尺度構造は軽量性を維持しつつ、高い全体剛性および構造安定性を備えており、工学的サンドイッチ構造設計に対して重要な生体模倣的示唆を与えている。甲虫鞘翅内部構造の形態的特徴および力学的機構に関する解析を基に、陳錦祥らは系統的な研究を展開し、仿生サンドイッチ構造の工学的応用に向けた生物構造的基盤を構築した。

これを踏まえ、関連研究では甲虫鞘翅における内部支持機構を工学的ハニカムサンドイッチ構造の設計に導入し、従来の六角形ハニカムコアの節点部あるいは壁部に柱状支持ユニット（トラベキュラ）を付加することで、「ハニカム–柱状」複合構造形態を形成した。この種の生体模倣強化構造について、幾何学的モデリング、構造特性および工学的適応性の観点から、陳錦祥および宋毅恒らは系統的な研究を展開している。特に宋毅恒は、当該生体模倣強化ハニカムサンドイッチ構造を平板構造および曲面構造へと拡張し、その動力学特性、構造応答ならびに複雑幾何条件下における工学的適用性について詳細な検討を行っている。

工学的応用の観点から見ると、これら一連の研究は、生物構造の発見に始まり、工学的な生体模倣設計、さらに平板および曲面サンドイッチ構造への展開へと至る研究の系譜を段階的に形成してきた。このような研究の蓄積は、生体模倣強化サンドイッチ構造を複雑な工学的構成へ適用する上で、有用な指針を与えるものである。

 参考文献 

Category:複合材料