多元材料技术(Multi-Material Technology)——通过异种材料的混合提高性能

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摘   要：多元材料，是指将特性不同的材料进行适才适所地组合或复合而产生出的材料或构件，能够使其具备单一材料无法实现的“综合优良特性”；将金属、塑料、陶瓷、复合材料等材料适才适所地组合在一起以提高其性能，使其具有新性能的技术被称为多元材料技术。

关键词：多元材料、碳纤维增强塑料（CFRP）、铝-镁合金、高功能化、轻量化

什么是多元材料?

所谓多元材料，是指将特性不同的材料进行适才适所地组合或复合而产生出的材料或构件，能够使其具备单一材料无法实现的“综合优良特性”。例如，碳纤维增强塑料（CFRP）是由碳纤维和塑料混合制成的材料，是纤维增强塑料的一种。虽然可用于减轻汽车车身重量，但由于成本较高，目前只在部分高级车型中使用。克服这个课题的一个方案就是多元材料。通过将铝和CFRP组合起来进行“多元材料化”，可以同时实现轻量化和成本削减。像这样，将金属、塑料、陶瓷、复合材料等材料适才适所地组合在一起以提高其性能，使其具有新性能的技术就是多元材料技术。

身边的多元材料

汽车、建筑物、家电产品、电子设备等世界上所有人造物使用了各种材料，例如金属、塑料、陶瓷、木材等。根据不同的用途对各种材料的物理性质进行改良和优化，以满足其功能的升级。此外，还有将碳纤维等强化纤维和高导热陶瓷粉末等功能性填充物与聚合物经过复合化而成的复合材料（复合材料）。

将金属、塑料、陶瓷、复合材料等材料适才适所地组合在一起以提高其性能，使其具有新性能的技术就是多元材料技术。

多元材料存在于我们身边常见的东西，钓鱼竿、网球拍、高尔夫球杆等都有使用。例如，在高尔夫球杆中，钛金属和碳纤维增强塑料（CFRP）被粘合在一起。通过改良材料，每年都有提高飞行距离和性能的新产品登场。另外，在护理领域，通过多元材料使得轮椅轻量化，可以减轻护理者的负担，提高被护理者的安全性。多元材料不仅可以提高功能，还可以提供舒适感，作为可靠的材料和构件实现安全、安心。

多元材料概要图

在汽车开发中不断引入多元材料

未来，汽车行业将成为多元材料蓬勃发展的领域之一。为削减CO₂排放，车企开发出混合动力汽车、电动汽车、插电式混合动力汽车等，但车身轻量化是从燃油汽车开始就持续多年的课题。将车身等车体的大件部分使用的钢换成改进添加成分和组织结构的高张力钢板，在强度不变的情况下厚度变薄，实现了轻量化。另外，重量只有钢三分之一的轻铝，从很早以前就作为轻量化材料得到使用，不仅是特殊汽车会采用全铝车身，最近普通的市售汽车也在车门、车顶、前引擎盖等部位使用了铝合金，以减轻重量。此外，铝合金和CFRP、铝合金和镁合金组合的多元材料构件的开发也备受期待。

此外，在以氢为燃料的燃料电池汽车中，为防止容易爆炸的氢气泄漏，在车上搭载了树脂材质的氢罐，而非金属材质。通过多元材料化实现了由CFRP、GFRP（玻璃纤维强化塑料）和塑料组成的三层结构，这种结构可以在发生碰撞事故时防止因油箱破损而导致危险的氢气泄漏。

NEDO创新结构材料等研发项目中的车体多元材料研发案例（产综研中部中心）

多元材料的现状和问题

多元材料构件被认为是未来的材料，为了在社会上实际应用，需要提高原材料本身的高功能化和可靠性，确立粘合、接合技术，评价新产生的多元材料构件的技术，构建着眼于未来的回收技术等，寻求多角度的研发。特别是从碳中和的观点来看，以基于回收再利用的资源循环为前提的材料开发和工艺开发不可或缺。

应用于各种多元材料的铝合金将会产生大量的废料，产综研正在开发从废料中获得高纯度铝合金的回收利用技术。

此外，产综研还致力于开发易成型镁合金，将轻量金属镁合金板和铝合金板通过“弯曲加工”结合，制成异种金属的多元材料。这样做出来的材料在用作建材和汽车的多元材料构件时，等到报废的时候就可以分离出各种金属，由此可以实现简单的回收。

只需要几种材料就可以制成的多元材料，不仅要开发，还要在社会上应用，否则就没有价值。产综研不仅追求材料的高功能化，还在开发提高粘合、接合技术，以及是否可以放心使用的材料与构件评价技术。产综研正在充分利用此前研发中所积累的数据，同时也将成为承担多元材料开发的中心。

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