比強度

比強度(ひきょうど、英語: specific strength)または強度重量比重量比強度 (strength‐to‐weight ratio, strength/weight ratio) は、物質の強さを表す物理量のひとつで、密度あたり引っ張り強さである。つまり「引っ張り強さ ÷ 密度」で得られる。比強度が大きいほど、軽いわりに強い材料である。

比強度
specific strength
量記号
次元 T-2 L2
種類 スカラー
SI単位 N·m/kg
破断長
breaking length
量記号
次元 L
種類 スカラー
SI単位 m

引っ張り強さのSI単位パスカル Pa (= N/m2)、密度のSI単位はキログラム毎立方メートル kg/m3 なので、比強度のSI単位はニュートンメートル毎キログラム N·m/kg となる(実際は接頭語をつけた kN·m/kg が多い)。なお、計算上 N·m/kg = J/kg = m2/s2 だが、比強度の単位としては N·m/kg と表す。

破断長破壊長 (breaking length) または self support lengthcharacteristic height は、「引っ張り強さ ÷ 重量密度」、言い換えれば、「比強度 ÷ 重力加速度」である。比強度に比例するが長さの次元を持ち、長さの単位 m(実際は km が多い)で表される。破断長の物理的な意味は、細長い柱体鉛直にぶら下げたときに、破断せず自重を維持できる最大の長さ(高さ)である。厳密には、破断長は重力加速度に反比例するので物性のみでは決まらないが、通常は標準重力加速度 9.80665 m/s2 で計算して物性固有の値とみなす。

古い文献では、比強度として単位にキログラム毎平方ミリメートル kg/mm2 を使っているものがある。これは実際は重力単位系の重量キログラム毎平方ミリメートル kgf/mm2 の意味で、「引っ張り強さ ÷ 密度」の引っ張り強さを kgf/mm2 で表し、密度の代わりに無次元量比重を使って計算した値である。言い換えれば、破断長にの密度 1000 kg/m3 を掛けたということであり、1 kg/mm2 ÷ 1000 kg/m3 = 1 km より、数値は破断長/kmと同じである。

比強度・破断長の値

物質引っ張り強度
/MPa
密度
/(g/cm3)
比強度
/(kN·m/kg)
破断長
/km
出典
コンクリート0001002.3000004.350000.44
ゴム0001500.9200016.30001.66
マグネシウム0009001.7400051.80005.27[1]
ステンレス鋼3040050508.0000063.10006.4[2]
真鍮0058008.5500067.80006.91[3]
ナイロン0007801.1300069.00007.04[4]
オーク0006000.6900086.950008.86[5]
ポリプロピレン0008000.9000088.880009.06[6]
アルミニウム合金0060002.70002220022.65[7]
チタン合金
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr
0125004.61002600027.65[8]
マグネシウム合金0051001.86002740027.87[9]
バルサ材 (軸向き)0007300.14005210053.2[10]
Scifer steel wire0550007.87006980071.2[11]
炭素繊維強化プラスチック0124001.58007850080.0[12]
蜘蛛の糸0140001.31010690109
シリコンカーバイド0344003.16010880110[13]
ガラス繊維0340002.60013070133[14]
1μm ホイスカー1400007.87017940183
ベクトラン0290001.40020710211
炭素繊維AS40430001.75024570250
ケブラー0362001.44025140256[15]
スペクトラ0351000.97036190369[16]
ザイロン0580001.54037660384[17]
炭素繊維東レ T1100G0700001.79039110399[18]
コロッサルカーボンチューブ0690000.116594836066[19]
カーボンナノチューブ(不確実)6200000.037
–1.34
46268
–N/A
4716
–N/A
[20][21]

出典

  1. レアメタル便覧
  2. ASM Material Data Sheet”. asm.matweb.com. 2015年10月20日閲覧。
  3. RoyMech: Copper Alloys
  4. Goodfellow: Polyamide - Nylon 6
  5. Delft University of technology: Oak wood
  6. Goodfellow: Polypropylene
  7. Vectran fiber: specific strength
  8. AZo Materials Data Sheet”. azom.com. 2016年11月14日閲覧。
  9. 52nd Hatfield Memorial Lecture: "Large Chunks of Very Strong Steel" by H. K. D. H. Bhadeshia 2005
  10. McGRAW-HILL ENCYCLOPEDIA OF Science & Technology, 8th Edition, (c)1997, vol. 1 p 375
  11. Specialty Materials, Inc SCS Silicon Carbide Fibers
  12. Network Group for Composites in Construction: Introduction to Fibre Reinforced Polymer Composites
  13. Spectra Fiber - Honeywell Advanced Fibers and Composites
  14. Toyobo Co.,Ltd.. ザイロン®(PBO 繊維)技術資料 (2005) (free download PDF). 2012年11月4日閲覧。
  15. Toray Composites Materials America, Co., Ltd.. T1100S, INTERMEDIATE MODULUS CARBON FIBER (free download PDF). 2018年9月17日閲覧。
  16. Peng, H.; Chen, D.; et al., Huang J.Y. et al. (2008). “Strong and Ductile Colossal Carbon Tubes with Walls of Rectangular Macropores”. Phys. Rev. Lett. 101 (14): 145501. doi:10.1103/PhysRevLett.101.145501.
  17. Yu, Min-Feng; Lourie, O; Dyer, MJ; Moloni, K; Kelly, TF; Ruoff, RS (2000). “Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load”. Science 287 (5453): 637–640. doi:10.1126/science.287.5453.637. PMID 10649994.
  18. K.Hata. From Highly Efficient Impurity-Free CNT Synthesis to DWNT forests, CNTsolids and Super-Capacitors (free download PDF). 2009年12月2日閲覧。
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