材料工学研究室

材料からLOHASを考える

本研究室では時代のニーズに適した材料開発、加工技術の開発を行っています．

これまでの産業・技術開発は私たちの生活を豊かにしてきましたが，同時に環境負荷を与え続けてきました．これからは，自分たちの生活をみつめなおし，自然との調和を考えた産業・技術開発を追及していかなければなりません．そこで，破壊力学を応用した低エネルギーで切りくずをださない加工方法の提案や，ロハスの家で使用されている雨水浄化再利用システムに関する研究，全て天然素材からなるグリーンコンポジットの研究を行っています．卒業研究では，手を動かし実験することでこれまでの知識への理解を深めると同時に，各自の研究を通してLOHASのためにできることを考えていきます．

脆性材料の破壊力学用試験片における予き裂付与法

一般的に予き裂（自然割れ）が導入されたCT試験片(コンパクト引張標準試験片)が破壊靭性値の測定に用いられています．しかし，ガラスやセラミックスのような脆性材料は，き裂が発生すると直ちに進展し，試験片を2分してしまいます．そのため，CT試験片に予き裂の導入が困難であり，標準試験片としてSEB試験片が用いられています．そこで，CT試験片への予き裂付与法を開発し，CT試験片とSEB試験片の破壊靭性値の比較を行なっています．

CT試験片

ロハスの家3号における雨水浄化再使用システム

現在使用されている下水処理場は，今後の施設の老朽化や人口減少による予算削減などについて考えると，現在と同様の設備を維持することが難しいと考えられます．そこで，これからは各家庭で上下水道を考えた水の利用システムを検討する必要があります．
一方，雨水は水が蒸発する過程を経ており非常にきれいであるにもかかわらず，その利用はあまり普及していません．そこで，2011年11月本学部に完成した「ロハスの家3号」において，雨水をキッチン，バス，トイレで使用し，その排水を浄化して再使用するシステム，すなわち雨水浄化再使用システムの開発を目指しています．

ロハスの家３号

雨水浄化再使用システム

セラミックスならびにガラスの破壊を利用した加工法

材料の破壊時に発生する亀裂をコントロールして，加工が困難であるセラミックス材料を効率よく経済的に，切断および穴あけできる加工法の開発を試みています．開発中の加工法は，破壊を利用しているので加工に要する時間とエネルギーはほんのわずかです．さらに切屑を伴わないなどの特徴を持ちます．すでにセラミックス板と，ガラス板を直線および曲線に切断できるだけでなく、ガラス板の穴あけもできます．またガラス中実棒や円管の切断もでき，これらを利用したガラス製品の試作を行なっています．

開発中の加工法による切断例

環境に優しい壁材の開発

現在，バイオエタノールやメタン発酵に代表されるようバイオマスの有効利用が求められています．そこで，生分解性樹脂と天然繊維からなる熱可塑性複合材料を作製し，環境にやさしい軽量・高強度の壁材の開発を進めています．また，プレス加工により，簡易的に強化構造である立体トラス構造を作製する方法について研究を行っています．

麻

コールゲート構造を有する
新聞紙強化複合材料

繊維の撚り構造が撚糸強化複合材料の強度特性におよぼす影響

撚糸（紡績糸）は短い繊維（単繊維）が撚りあわされて一本の形態をなしています．そのため各単繊維は繊維配向角をもちます．一般的に，繊維強化複合材料の強度特性は繊維配向角に依存することが知られています．しかし，撚糸強化複合材料において繊維配向角を考慮しても配向角と強度特性の関係を説明することができません．そこで，撚糸強化複合材料の引張試験を実施し，材料の破壊形態を調べることで配向角が複合材の強度特性におよぼす影響について明らかにするという研究を行っています．

撚糸（紡績糸）

配向角と引張強度の関係

ウォータージェット加工がカーボン繊維強化複合材料(CFRP*)の機械的特性におよぼす影響

CFRPが航空機等に使用されるようになり，その使用量は急速に増加しています．しかし，CFRPはエンドミルのような物理的な切削加工では，切削時に起こる剥離や繊維の引き抜けによりその機械的特性が低下する上，刃物の劣化をひきおこすことが問題となっています．
一方で，CFRPの加工法として刃物を用いないウォータージェット加工が注目されていますが，切削時の衝撃や繊維の引き抜けが機械的特性の低下を招くと考えられています．そこで，ウォータージェットの噴出速度や切削速度がCFRPの切断の面粗さおよび機械的特性におよぼす影響について調査します．
*CFRP カーボン繊維と樹脂から作られる材料．航空機ボーイング787では50%以上使用されています．カーボン繊維の直径はおよそ5-8μmです．

CFRP

CFRP加工面のSEM写真