The Incredible Properties of Composite Materials

Summary

このビデオ脚本では、複合素材の開発が過去数十年間でどのように進歩し、最も先進的な工学問題の解決方法を変えたかを解説しています。自然由来の木材から人工的に設計された様々な複合素材まで、機械的、電気的、熱的、磁性の特性を持ち、特定の応用に最適化されています。特に、繊維強化プラスチック基複合素材は、航空宇宙や自動車業界、スポーツ用品などで広く使用されており、その強さと軽量性に優れています。しかしながら、製造コストや設計の複雑性、もしくは欠陥を持つこともあります。この分野は絶えず進化しており、新しい創造の可能性を広げています。

Takeaways

• 🚀 複合材料の発展は、最先端のエンジニアリング問題の解決方法を変えた。
• 🔥 複合材料は独特の熱的性質を持ち、大気圏再入時の高温にも対応できる。
• ✈️ 軽量で機械的な特性を細かく調整したジェットエンジンのファンブレードが開発された。
• 🌿 複合材料は自然に存在するものもあれば、人工的に組み合わせて開発されたものもある。
• 🔍 複合材料は分散相と基質相の2つ以上の異なる構成材料からできている。
• 📚 分散相は材料の良い特性を提供し、セラミックスや金属が一般的である。
• 🧬 基質相は分散相と機械的化学的結合を形成し、環境からの保護も提供する。
• 🌐 繊維強化、粒子強化、サンドイッチ構造など、複合材料には様々なカテゴリーがある。
• 📈 繊維方向に応力がかかった場合、材料は非常に強力で硬くなるが、垂直方向には弱い。
• 🛠️ 繊維を異なる方向に重ねることで、複数の方向に強度と硬度を持たせることが可能。
• 📊 比強度と比弾性率を見ると、複合材料は従来の材料をはるかに上回る。
• 🛡️ 繊維強化材料は、その強靭さと耐傷性により、衝撃に強いアプリケーションに適している。
• 🔥 非常に高い温度に耐えるためのセラミックス基質と繊維を組み合わせた複合材料も存在する。
• 💡 金属マトリックスを使用した複合材料は、金属の強度や硬度を改善することを目的としている。
• 🏗️ 粒子強化材料は、様々な応用のための材料の特性を調整するための柔軟性を提供する。
• 🍰 サンドイッチ複合材料は、軽量で曲げりやすい構造を持ち、高い曲げり強度を持つ。

Q & A

複合材料とは何で、なぜ特別な性質を持っているのか説明してください。

複合材料は2つ以上の異なる構成材料からできた材料であり、自然に存在する木材もその一例です。人工的に組み合わせることで、特定の応用に合わせて機械的、電気的、熱的、磁的特性を調整できます。分散相は望ましい材料特性を提供し、基質相は分散相を環境から保護し、負荷を分散します。

複合材料における分散相と基質相とは何を意味するか説明してください。

分散相は材料の良い特性を提供する部分で、通常はセラミックや金属であり、基質相は分散相と機械的化学的な結合を形成し、負荷を分散させる役割を持ちます。

繊維強化複合材料の主な特徴は何ですか？

繊維強化複合材料は、繊維と樹脂基質を組み合わせたもので、特に航空宇宙、自動車、スポーツ用品などで広く使用されています。繊維の方向に応じて異方向性があり、非常に高い強度と硬さを持ちます。

何が繊維を細かくすることで複合材料の強度を高める理由ですか？

繊維の直径が小さいほど、内部の欠陥も少なく小さくなり、強度が向上します。また、細かい繊維では、1本の繊維が折れた場合でも、残りの繊維にかかる負荷が大きく増加しないため、全体の強度が向上します。

複合材料の欠点は何ですか？

複合材料は製造コストが高いと同時に、設計が難しい一面があります。その異方向性や多様な失敗モードのために、正確なモデル化や失敗予測が困難です。また、金属に比べて割れ易い性質を持っています。

セラミックマトリックス複合材料とは何であり、その利点は何ですか？

セラミックマトリックス複合材料は、セラミックを基質として繊維を分散させたもので、高温耐性があり、金属や樹脂基質複合材料よりも頑強です。

金属マトリックス複合材料の特徴は何ですか？

金属マトリックス複合材料は、金属の強度や硬さを改善することを目的としており、例えばアルミニウムやチタンに炭素繊維を組み込むことで、その強度やその他の特性を改善します。

サンドウィッチ複合材料の構造とその利点は何ですか？

サンドウィッチ複合材料は、薄い外層と軽いコアを挟み込む構造で、軽量化と高反発硬さを兼ね備えています。コアは通常のフォームやハニカム構造であり、外層は金属やCFRPなどの強力で硬い材料です。

OnShapeはどのようなCADプラットフォームですか？

OnShapeはクラウドベースのCADプラットフォームで、ウェブブラウザ上で動作し、パラメトリックモデリングツールセットやコラボレーションシステム、バージョン管理など、高度な機能を備えています。

複合材料の応用分野には何がありますか？

複合材料は航空宇宙、自動車、スポーツ用品、構造材料、医療分野、電子部品、構造物など、さまざまな分野で応用されています。

複合材料の強度と硬さをどのように調整するか説明してください。

複合材料の強度と硬さを調整するためには、繊維の方向、種類、および基質の選択を通じて行われます。例えば、軸方向に強い力がかかる場合、繊維を軸方向に整列させることで、その方向に強い力を持つことができます。

複合材料の設計において、どのようなツールが役立つと言えるのか？

複合材料の設計では、OnShapeのようなクラウドベースのCADプラットフォームが役立ちます。これは、モデリングツール、コラボレーション機能、バージョン管理などを備えており、設計プロセスを効率化します。

複合材料の製造方法にはどのようなものがあり、それぞれの特徴は何ですか？

複合材料の製造方法にはウェットレイアップ、プリプレグ、フィラメントウィンディング、インジェクションモールディングなどがあります。それぞれが異なる特性を持っており、製造プロセスや応用に応じて選択されます。

複合材料の内部ダンピング特性とは何であり、その利点は何ですか？

内部ダンピング特性は、複合材料が動的負荷に対処する能力を指しており、振動や衝撃を吸収する能力が高いことを意味します。これは、自動車や航空機の構造材料など、動的負荷に曝されるアプリケーションにおいて有利です。

複合材料の耐食性とは何であり、その重要性はどの程度ですか？

耐食性は、複合材料が環境からの腐食や化学的影響にどの程度耐えるかを指します。樹脂基質は繊維を保護し、腐食から守る役割を持ちます。これは特に海洋や化学プラントなど、化学的腐食に曝される環境での応用において重要です。

複合材料の熱的性質にはどのような特徴がありますか？

複合材料は通常、熱伝達性が低いと同時に、金属に比べて熱膨張係数も低いため、広範囲の温度変化下で寸法の安定性を保ちます。

Outlines

00:00

🚀 複合材料の基礎と応用

複合材料とは、2種以上の異なる材料が組み合わさった素材であり、自然の木材もその一例です。人工的に開発された複合材料は、特定の応用に特化した機械的、電気的、熱的、磁的特性を持つことができます。分散相と基質相という2つの相で構成され、分散相は材料の優れた特性を提供し、基質相は機械的・化学的な結合を形成し、分散相を保護します。複合材料は粒子強化型、短繊維強化型、長繊維強化型などがあります。特に、繊維強化型の複合材料は、航空宇宙や自動車産業などで広く使われています。

05:06

📚 繊維強化複合材料の構造と製造方法

繊維強化複合材料は、軸方向への力がかかった時に非常に強靭で、垂直方向には弱いという各向异性を持つ。圧力容器など特定の方向に力がかかる場合、繊維をその方向に整列させることで強さを高めることができます。複数の層を異なる方向に重ねることで、各方向に対称な特性を持つ「准同質」のラミネートを作成することが可能です。ウェーブパターンの繊維も存在し、柔軟性があり曲面に適合しやすい特性があります。これらの材料はウェットレイアップやプレプレグ、フィラメントウィンディングなどの方法で製造されます。

10:06

📉 繊維強化材料の力学的特性と応用

繊維強化複合材料は、比強度と比弾性率という指標において、従来の材料をはるかに上回る性能を持ちます。そのため、航空宇宙、自動車、スポーツ用品などで軽量化が求められる産業で広く使われています。また、繊維径が小さいほど材料は強力で、多くの小さな繊維を持つ束の方が大きな繊維径を持つものよりも強いという性質があります。しかし、これらの材料は製造の制約やコスト、設計の複雑さ、もしくは割りやすい性質などの欠点もあります。

15:10

🔥 高温耐性と金属・セラミック基の複合材料

高温耐性の高い複合材料は、航空宇宙や自動車産業のタービンブレード、宇宙船の熱シールド、ブレーキシステムなどで使われています。セラミック基や金属基の複合材料は、基質材料の強度や硬度を向上させるだけでなく、他の物性も改善することが可能です。例えば、マグネシウムとセラミック粒子の複合材料は、骨の骨折癒着のためのインプラントに適しており、生物相容性があり体内で分解する利点があります。

20:15

🏗️ パーティクル強化材とサンドウィッチ構造

パーティクル強化材は、電子部品のヒートスプレッドアーやコンクリートの改良などに使われています。サンドウィッチ構造は、軽量なコア素材を薄い強硬なスキン層の間に挟むことで、高い曲げしん度を持つ構造を作ります。この構造は衛星の構造パネルなど、様々な産業分野で応用されています。複合材料の分野は、新しい素材の開発とイノベーションのための刺激を提供する、絶え間ない進化を続けています。

🛠️ 設計支援ツールの重要性

複合材料を使った設計プロセスには、適切なツールが不可欠です。OnShapeはクラウドベースのCADプラットフォームで、モダンなCADソフトウェアと同じ機能を持ち、さらに多くの利便性を提供しています。パラメトリックモデリングツールセットがあり、パーツのモデリングやアセンブリの管理が容易です。また、コラボレーションシステムが強力で、複数の人々が同じファイルを同時に作業することができます。クラウドベースであるため、強力なマシンは必要ありません。

Keywords

💡複合材料

複合材料とは、2つ以上の異なる構成材料から成る素材のことを指します。このビデオでは、複合材料が航空宇宙や自動車産業など、さまざまな先端技術分野でどのように問題を解決するのに使われているかが説明されています。例えば、大気圏再入時の高熱に耐えるための熱的性質を持つ材料や、軽量で機械的な特性を細かく調整したジェットエンジンのファンブレードなどが挙げられます。

💡分散相

分散相は複合材料の中で、望ましい物性質を提供する役割を果たす材料であり、通常はセラミックスや金属です。ビデオでは、分散相が材料の強度や引き延べ性などの特有の性質を提供するため、特定の応用に最適化された複合材料の強力なポイントとされています。

💡基質相

基質相は複合材料の中で、分散相を包含する役割を持ちます。ビデオでは、基質相が分散相と機械的、化学的結合を形成し、負荷をそれら間で移転する機能を持つと説明されています。また、環境から分散相を保護する役割も果たしています。

💡粒子強化複合材

粒子強化複合材は、粒子状の分散相が基質相に分散されているタイプの複合材料です。ビデオでは、粒子強化複合材がどのように分散相の形態に基づいて分類されるか説明しており、その一例として粒子強化複合材が挙げられています。

💡繊維強化

繊維強化は、繊維状の分散相が基質相に分散されている複合材料のタイプです。ビデオでは、短い繊維や連続繊維のどちらかに基づいて繊維強化複合材が分類されると説明されています。

💡FRP（ファイバー強化プラスチック）

FRPは、繊維強化プラスチックの略称で、ガラス強化プラスチック（GRPやファイバーガラス）やカーボンファイバー強化プラスチック（CFRP）を含む一大カテゴリーの複合材料です。ビデオでは、FRPがエポキシ基質とガラスまたはカーボン繊維で作られると説明されており、その強度と応力変形率の関係が強調されています。

💡ラミネート

ラミネートは、異なる繊維方向を持つ複数の層（ラミナまたはplies）を積み重ねた複合材料の構造です。ビデオでは、ラミネートが軸方向や横方向、またはシェア方向の強度と硬度を提供するのにどのように使われるかが説明されています。

💡ウェーブパターン

ウェーブパターンは、二つの異なる方向に走る繊維を持つ織り模様です。ビデオでは、ウェーブパターンが繊維を織り込むことで複合材料の強度と硬度を提供するが、45度方向では弱いため、准同性的な特性を必要とする場合は異なる方向で層化する必要があると説明されています。

💡ウェットレイアップ

ウェットレイアップは、複合材料の製造方法の一つで、ビデオでは、型枠の中で繊維層が積み重ねられ、各層にローラーやブラシを使って樹脂を塗布するプロセスが説明されています。

💡プレプレグ

プレプレグは、部分硬化されたエポキシ樹脂に浸渍された繊維のテープやシートであり、ビデオでは、型枠に適用される際に追加の樹脂が必要なくなる利便性を説明しています。

💡フィラメントウィンディング

フィラメントウィンディングは、樹脂に浸沢された一向性テープをまとってマンドレルに巻く製造方法です。ビデオでは、この方法が複合材料の構造を完成させるプロセスとして紹介されています。

💡サンドウィッチコンポジット

サンドウィッチコンポジットは、軽量のコア材料が薄いスキン層の間に挟まれた構造の複合材料です。ビデオでは、この構造が高反発剛性を持つ軽量構造を形成し、衛星の構造パネルなどへの応用が説明されています。

Highlights

复合材料的发展在过去几十年彻底改变了解决一些最先进工程问题的方式。

复合材料允许开发具有独特热性能的材料，例如更好地承受大气再入的高温。

复合材料推动了通过使用轻质风扇叶片来设计喷气发动机的极限，这些叶片具有精心定制的机械性能。

复合材料是由两种或更多不同组成的材料制成的，可以在自然界中找到，例如木材。

复合材料可以工程化，通过精心结合不同材料开发具有特定应用定制的机械、电气、热或甚至磁性属性的复合材料。

复合材料中的一种材料，称为分散相，被另一种材料，称为基体相所包含。

分散相通常提供所需的材料属性，如高强度或改善的延展性，并且通常是陶瓷或金属。

复合材料通常根据分散材料的形式进行分类，例如颗粒增强复合材料或纤维增强复合材料。

基体材料用于与分散相的元素形成机械和化学键，并允许负载在它们之间转移。

复合材料还根据基体材料的类型进行分类，可以是聚合物、陶瓷或甚至是金属。

在工程应用中最广泛使用的复合材料是纤维增强聚合物基复合材料，包括玻璃增强聚合物和碳纤维增强聚合物。

纤维增强材料的基本形式是单向带，所有纤维沿相同方向运行。

纤维增强材料具有高度各向异性，其材料属性在不同方向上会有所不同。

通过堆叠具有不同纤维方向的多层材料，可以构建出具有不同方向上的强度和刚度的组件。

纤维也可以以编织图案排列，具有两种不同方向的纤维。

复合材料的制造方法之一是湿法铺层，其中纤维层在模具中建立，并使用滚筒或刷子将树脂涂在每层上。

另一种方法是使用预浸料，即已经部分固化的环氧树脂预浸渍的纤维带或片。

纤维增强材料之所以特别，是因为它们的机械性能，例如拉伸强度和杨氏模量。

当考虑到它们的质量时，复合材料的比强度和比刚度远远超过传统材料。

纤维增强聚合物基复合材料不仅因其良好的比强度和比刚度而被使用，还因为它们具有其他有用的属性。

陶瓷基复合材料在高温下具有高熔点、高热冲击性和低热膨胀系数等特性。

金属基复合材料通常用于提高金属的强度或刚度，例如将碳纤维掺入铝或钛基体中。

粒子增强材料可以为各种不同的应用而开发，例如具有铜基体和金刚石粒子的复合材料具有比标准材料更高的热导率。

混凝土是一个更常见的粒子增强材料的例子，其中水泥是基体相，骨料是分散相。

夹层复合材料由轻质芯材料夹在由更强更硬的材料制成的薄皮层之间。

复合材料的研究是材料科学中一个令人兴奋且不断发展的领域，为创新开辟了新的机会。

Transcripts

The development of composite materials  over the last few decades has completely  

transformed how some of the most advanced  engineering problems out there can be solved.  

It's allowed the development of materials  with unique thermal properties that can  

better handle the blistering temperatures  of atmospheric re-entry, for example.  

And has pushed the limits of jet engine  design through the use of lightweight  

fan blades that have carefully  tailored mechanical properties.  

But what exactly are composite materials, and  what makes them so special? Let's find out.  

A composite is really just any material made from  two or more distinct constituent materials. They  

can be found in nature - wood is just one  example of a natural composite material.  

But they can also be engineered, where  different materials are carefully combined  

to develop all sorts of incredible and exotic  composites that have mechanical, electrical,  

thermal or even magnetic properties that have  been tailored to suit a specific application.  

In most composites, one material, called the  dispersed phase, is contained within another,  

called the matrix phase. The ability to  carefully select each phase to optimise  

the properties of the material for a specific  application is what makes composites so powerful.  

The dispersed phase is usually what provides  the desirable material properties, like high  

strength or improved ductility, and is usually  either a ceramic or a metal. Composites are often  

categorised based on the form of the dispersed  material. This is a particle-reinforced composite,  

but they can also be fiber-reinforced,  either with short, or with continuous fibers.  

The matrix material is used to form a  mechanical and chemical bond with the elements  

of the dispersed phase, and allows loads to be  transferred between them. It holds everything  

together, and it protects the dispersed phase from  the environment. Composites are also categorised  

based on the type of matrix material, which  can be a polymer, a ceramic, or even a metal.  

Probably the most widely used composite  materials in engineering applications are the  

fiber-reinforced, polymer-matrix composites. This  category of composites includes Glass Reinforced  

Polymers, also called GRP or Fiberglass, and  Carbon Fiber Reinforced Polymers, or CFRP.  

These composites usually have an epoxy  matrix, which is a thermosetting polymer,  

and the dispersed material is glass or  carbon fibers, which make up around 60%  

of the material by volume. The most basic form  of fiber reinforcement is unidirectional tape,  

which has all of the fibers  running in the same direction.  

The individual fibers are grouped together into  bundles, which are held together with stitching  

or using a chemical binder. In the case of  carbon fibers these bundles are called tows.  

Each tow usually contains anywhere from 3  thousand to 24 thousand individual fibers.  

A typical fiber is around 10 microns in diameter,  which is ten times thinner than a human hair.  

Any fiber-reinforced material that has fibers  all running in the same direction will be highly  

anisotropic - its material properties will be  different in different directions. If you apply  

a load along the axis of the fibers, the material  will be much stronger and stiffer than if you  

apply it perpendicular to the axis, because the  load is taken by the stronger and stiffer fibers  

instead of by the matrix. This can be a good  thing. If you know that your material will be  

loaded mainly in one direction you can orient the  fibers to make it very strong in that particular  

direction. In pressure vessels for example, fibers  can be aligned mostly in the hoop direction,  

because the hoop stress is the largest  stress when the vessel is pressurised.  

In most cases though you need good strength  and stiffness in several directions at the  

same time. In the case of this pressure  vessel there will be axial stresses too,  

so we'll also need some reinforcement in the axial  direction, either with axial or helical fibers.  

This is why components made from fiber-reinforced  materials are built up by stacking multiple layers  

that have different fiber orientations.  Each layer is called a lamina, or a ply,  

and the stack is called the laminate. In this  laminate the 0 degree layer provides strength and  

stiffness in the axial direction. The 90 degree  layer provides it in the transverse direction.  

And the 45 degree layers provide it in  the shear directions.

If enough layers are stacked with the correct  orientations, the laminate can have very similar  

properties in all of the in-plane directions.  This is called a "quasi-isotropic" laminate.  

Fibers can also be arranged in weave patterns,  

which have fibers running  in two different directions.  

There are hundreds of possible weave patterns  - this is a plain weave, but the twill weave  

pattern is also commonly used. There are slight  differences in how different patterns behave. A  

twill weave is more flexible and will conform  more easily to a curved surface, for example.  

Weave patterns have good stiffness and strength  along the two fiber axes but they're weak at 45  

degrees, so they should be layered in different  orientations if quasi-isotropic properties are  

needed. Once the laminate structure has been  defined, the different fiber layers need to  

be assembled and combined with the polymer  matrix to create the final composite part.  

One way of doing this is the wet layup method,  where fiber layers are built up in a mould,  

and the resin is applied to each  layer using a roller or a brush.  

The number of plies and ply orientation  are carefully selected to achieve the  

required properties. An alternative  method involves the use of "pre-preg",  

tapes or sheets of fibers that have been  pre-impregnated in a partially cured epoxy resin,  

meaning they can be applied to the mold  without needing any additional resin.  

The laminate can then be vacuum bagged to  ensure it conforms well with the mould and  

to remove any voids, and it will then need to  cure. The polymer matrix is usually a thermoset,  

a polymer that irreversibly hardens when  heated, in which case curing is done at  

elevated temperatures in an oven.

Filament winding is another manufacturing method where a machine is used to

wind unidirectional tape that has  been impregnated with resin around a mandrel.  

Once complete the mandrel can either be left in  place or removed, and the structure is cured.  

Other methods like injection moulding can be used  for composites reinforced with short fibers, since  

the orientation of the fibers can be arbitrary.  So why are fiber-reinforced materials so special?  

To find out, let's look at their mechanical  properties. This graph shows tensile strength  

on the vertical axis, and Young's modulus,  which represents the stiffness of a material,  

on the horizontal axis. Let's plot a few common  engineering materials - titanium alloys, aluminum  

alloys, mild steel and high strength steel. Next  we can add carbon-fiber reinforced polymers.  

A plain weave carbon fiber material has a tensile  strength of around 600 Megapascals, and a Young's  

modulus similar to Aluminum, although the exact  properties will depend on a number of factors,  

including the type of polymer matrix that's used  and the layup configuration. A unidirectional  

carbon fiber material is much stronger than the  plain weave, and has higher stiffness as well,  

although remember that this is only true if  the load is applied along the fiber axis.  

These materials correspond to  standard carbon fiber grades,  

but there are also high strength, high  modulus and ultra-high modulus variants.  

We can also plot glass-fiber reinforced polymers,  which have lower stiffness but very good tensile  

strength. E-glass and S-glass refer to different  glass fiber compositions that are optimised  

for different applications. E-glass is the most  commonly used type and was originally developed  

for electrical insulation applications, and  S-glass was developed for structural applications  

and has improved strength. The really amazing  thing about these fiber-reinforced composites only  

becomes apparent when considering their mass. If  we plot specific strength and specific stiffness  

on this graph, by dividing by the material  density, it's clear that the composites far  

outperform traditional materials. The unbelievable  strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios  

of CFRP materials are why they're so commonly used  in industries where weight reduction is critical,  

like aerospace, the automotive industry,  and even in sports like cycling and sailing.  

Glass fiber-reinforced composites  have lower stiffness than CFRP,  

but excellent strength properties on a per-weight  basis, and are much more cost effective than CFRP.  

They're often used in wind turbine blades and in  the construction of boats, where light weight,  

high strength and low cost are critical  parameters. The impressive strength of  

fiber-reinforced composites is in large part due  to the small diameter of the reinforcing fibers.  

The strength of a fiber, like any material, is  limited by the presence of defects within its  

microstructure, from which cracks can form  and grow to failure. The larger a fiber is,  

the more likely it is that it will contain more  defects, and that the defects will be larger.  

This means that if you take two fiber  bundles with the same cross-sectional area,  

but different fiber diameters, the bundle with the  smaller fibers will be stronger. Not only that,  

but in the bundle of smaller fibers, failure of a  single fiber can occur without hugely increasing  

the load on the remaining fibers. And the smaller  the fibers the larger the surface area between the  

fibers and the matrix, which means better load  transfer between the two. The result is that the  

strength of a fiber-reinforced material increases  significantly as the fiber diameter reduces.  

The main thing limiting the use of ever  thinner fibers is manufacturing constraints.  

Fiber-reinforced polymer matrix composites  aren't only used for their good specific  

strength and specific stiffness. They  have many other useful properties  

that provide advantages over traditional  materials like steel and aluminum alloys.  

They have excellent internal damping properties,  which can be useful for applications involving  

dynamic loads, and they have good corrosion  resistance the polymer matrix does a great  

job of protecting the reinforcing fibers from the  environment. They also have interesting thermal  

properties - they're usually relatively poor  conductors of heat, and have very low thermal  

expansion coefficients compared to metals, which  can be useful for applications requiring good  

dimensional stability over a wide range of  temperatures. But they also have drawbacks.  

The cost is one - they're significantly more  expensive than using standard metals. They can  

also be difficult to design with, because their  highly anisotropic nature and complex and varied  

failure modes make it difficult to accurately  model their behaviour and to predict failure  

And integration of fiber-reinforced parts into  a larger assembly isn't always straightforward  

welding isn't an option, and although mechanical  fasteners can be used, they tend not to perform  

as well as they do in metals, so fiber-reinforced  polymers are usually bonded to other parts using  

adhesives. Another drawback is the brittleness  of these materials. Let's compare stress-strain  

curves for a few fiber-reinforced polymers  alongside steel and an aluminum alloy.  

Fibers tend to be made from materials like glass  and carbon because they have high strength and  

stiffness, but they're also very brittle. This  means the resulting composite material is also  

quite brittle - CFRP in particular will fail at  very low strains compared to steel and aluminum  

alloys. A well known fiber-reinforcement  we haven't mentioned yet is Kevlar,  

a type of Aramid fiber. Kevlar-reinforced  polymers are stiffer and stronger than GRP,  

more ductile than CFRP, and lighter than  both. This makes them ideal materials  

for applications where excellent impact  resistance is required, like in body armor.  

Another issue with materials that have a  polymer matrix is that above temperatures  

not much higher than 100 or 200 degrees Celsius  the polymer will typically start breaking down,  

limiting the maximum temperatures the composites  can be used at to well below the level of metals.  

If you're working with extremely high  temperatures, you'll have to turn to  

ceramic materials, like Alumina, Silicon Carbide,  and Silicon Nitride, because they have very high  

melting points, much higher than metals and  polymers. They can withstand temperatures  

upwards of 1000 degrees Celsius. Ceramics have  other properties that make them useful at these  

high temperatures, including high thermal  shock resistance and low thermal expansion  

coefficients. Plus they have high strength and  high stiffness. Carbon has similar properties  

to these ceramics with a melting point above 3000  degrees it can handle extremely high temperatures.  

But all of these materials are very brittle.  They fracture suddenly at very low strains,  

which limits how useful they are. And this  is where once again the use of composites  

can make a big difference. Adding Silicon Carbide  fibers to a Silicon Carbide matrix, for example,  

results in a material with significantly increased  toughness. To see how this works let's compare  

two ceramic materials, with and without fiber  reinforcement. Both contain an initial crack.  

When a load is applied, the crack in the pure  ceramic propagates very quickly, resulting  

in failure of the material. In the composite  though the fibers bridge any cracks that form  

in the matrix, which prevents them from growing,  increasing the overall toughness of the material.  

Unlike polymer-matrix composites, where  the aim is to have a strong bond between  

the matrix and fibers, so that loads  can be transferred between the two,  

in ceramic-matrix composites the fibers are coated  to allow them to slide somewhat within the matrix,  

so that cracks in the matrix don't overstress  the fibers. The resulting composite is extremely  

resistant to temperature without being too  brittle. Composites with a silicon carbide  

matrix and silicon carbide fibers are used in  high temperature jet engine turbine blades.  

And carbon-carbon composites have  applications in spacecraft heat  

shields to protect from the extremely high  temperatures during atmospheric re-entry.  

They're also used in the braking systems of  some aircraft and even in high performance cars.  

Composites with a metal matrix are usually used  to try and improve the strength or stiffness  

of a metal, which often involves incorporating  carbon fibers into an aluminum or titanium matrix.  

But sometimes the goal is to modify other  properties of the metal. One example of this is  

the use of magnesium in biomedical engineering.  Magnesium is a very promising metal for use in  

implants designed to heal bone fractures,  because it's lightweight and has excellent  

biocompatibility. Another advantage it has over  commonly used metals like titanium is that it  

biodegrades in the body, so a second surgery  isn't needed to remove the implant once the  

injury has healed. But it has quite low strength,  and biodegrades too quickly to be all that useful.  

Researchers have found that by replacing  pure magnesium with a composite that has a  

magnesium matrix and a dispersed phase of ceramic  particles, the degradation rate can be controlled  

and the material strength and other properties are  greatly improved. It's really quite incredible.  

Particle-reinforced materials can be developed  for all sorts of different applications.  

Designing an electronic component that  dissipates a lot of power? A heat spreader  

made from a composite with a copper matrix  and diamond particles will have higher thermal  

conductivity than standard materials, allowing  you to dissipate the heat more effectively.  

The composite also allows the thermal expansion  coefficient of the heat spreader to be tailored  

to match the properties of the chip die, which  helps avoid high shear stresses between the two.  

Concrete is an example of a much more  common particle-reinforced material.  

The matrix phase is cement, and the dispersed  phase is aggregate, a mixture of sand and  

crushed stone. The cement binds everything  together, and the aggregate improves strength,  

and has the added advantage of being less costly  than the cement. A more recent development is the  

use of engineering cementitious composites. These  composites incorporate short randomly-oriented  

polymer fibers into a concrete matrix to  obtain a material that has the properties  

of concrete but is also ductile, which is  why it's sometimes called bendable concrete.  

This just illustrates that the possibilities  for innovation using advanced composites really  

are endless. There are so many different ways  materials can be combined to obtain something  

useful. A final category of composites is  sandwich composites, where a lightweight  

core material is sandwiched between thin skin  layers made of a stronger and stiffer material.  

The lightweight core is typically a foam or  honeycomb structure, and the skin layers are  

either metals, like aluminum, or a composite,  like CFRP. The layers are bonded together using  

an adhesive, and the result is a lightweight  structure that has high bending stiffness.  

Under loading the sandwich composite  behaves in a similar way to an I-beam.  

The outer layers carry bending loads, like the  flanges of an I beam, one side being in tension  

and the other in compression. The core is like the  web it carries shear loads, but also increases the  

distance between the outer layers, increasing  the second moment of area of the cross-section.  

Inserts are incorporated into the panel  to allow the use of threaded fasteners.  

Honeycomb panels are used extensively in  satellites as structural panels to which  

instruments and communication  equipment can be attached.  

There's no doubt that the study of composites  is an exciting and constantly evolving field  

in materials science, that opens up  new opportunities for innovation.  

Whether for fun or for professional projects,  having an understanding of the different  

composite types will help you design and build  stronger, lighter, and better performing products.  

Equally important in the design process is  having access to the right tools to bring  

your projects to life, and that's why I'd like  to tell you about this video's sponsor OnShape.  

OnShape is a really impressive and unique  cloud-based CAD platform that has all of the  

functionality you would expect from modern CAD  software, but also much more. And it all runs  

in your web browser. It has a rich parametric  modelling toolset that makes modelling parts  

and managing assemblies easy, with loads of  tools to make your workflow really efficient,  

like standard part libraries, and the Frame  and Sheet Metal features. You can even develop  

your own custom features, or download ones  that have been created by the community.  

One of OnShape's most powerful and unique  features is its amazing collaboration system  

that allows multiple people to work on  the same files at the same time - really  

useful if you're working with others  and building something as a team.  

It also has a great version control system that  lets you easily log changes and roll back to  

previous versions if needed. And because it's  cloud-based you don't need a powerful machine  

to run it, since all of the processor heavy  tasks are done in the cloud. You can access  

your files from any machine just by logging  in, and they even have Android and iOS apps.  

You can get started creating designs of your own  using OnShape, for free, in just a few minutes.  

Just head over to OnShape.pro/EfficientEngineer  to create your free account and start designing.  

It's genuinely a great CAD platform and  I highly recommend you check it out.  

And that's it for this look at composite  materials. Thanks for watching!