それ故繊維方向とそれに垂直な方向で，剛性は前者が後者の10倍程度はあるのが普通です。強度に至ってはその差は更に広がります。このような極端な異方性を持った，いわゆる一方向強化材料は，ロープや棒材など一方向の強度や剛性のみが要求される特殊な用途には適していますが，航空機の外板など，複数方向に高い性能が要求される部材としては使いにくいのは明らかです。そこで繊維方向が異なるＣＦＲＰの層を積み重ねて接着し，多方向に繊維が入った積層板と呼ばれる形態で使われるのが一般的です(図１)。
図１ ＣＦＲＰ積層板の断面写真
(１層の厚さ約130μm)
この積層板は，特定方向の特性のみに注目すると，その方向にのみ繊維が並んだ一方向材料と較べて，材料としての効率はもちろん落ちます。それでも軽量かつ高強度，高剛性を必要とする航空宇宙分野では，ジュラルミンなど既存の金属材料より優れているとして利用範囲が拡大しています。最近では，最終製品にするまでの総合的なコストの点でも，製造工程の簡素化等により，従来材料に対抗できるようになってきたことで，利用される例も増えているようです。
◆積層板の弱点を探る
しかしこの優れた特性を持つ積層板にも弱点があります。その弱点を明らかにし，克服することが構造力学の複合材料に関わる一つの研究領域になっています。その弱点ですが，まず第一に，強度の大半を受け持っている繊維が，積層板の面内方向にしか入っていない，つまり厚さ方向には繊維が向いていないため，その方向の強度が極めて低いという点です。第二に，積層板を構成している一方向材の各層が，異方性の向きの違いから，異なる変形挙動をしようとするため，積層板の層間にお互いを拘束しようとする内力(層間応力)が生じる点です。層間応力は，部材としての力の伝達と直接関係のない二次的な内力ですので，ないに越したことはありませんが，それ自体は弱点ではありません。問題なのは，この力の発生が，厚さ方向に強度が低いという一番目の弱点を露呈させる点にあります。つまり，層間応力によって層と層が剥離してしまう，層間剥離が生じる点です。これは実際，例えば引張試験によって積層板試験片を引っ張った場合，荷重方向に垂直な板厚方向に試験片がぱっくりと口を開けるような現象で，とても興味深い挙動です。図２はＣＦＲＰ積層板試験片に引っ張荷重を加えた際の，層間に剥離が生じる前後の様子です。この層間応力の発生メカニズムは，積層板を構成する一方向材の各層を異方性の均質体とみなし，積層板を異方性体が重ね合わされた板としてモデル化し，解析することで明らかになっています。種々の研究では，層間応力は積層板の形状の不連続部位，例えば板の末端部や孔周り，或いは板厚が変化する所で発生することが分かっています。
この層間応力は積層板では発生が避けられないものですが，その大きさを小さくすることは各層の積み重ね方等を工夫することである程度は可能です。また，局部に層間剥離が生じた場合に，それがどの程度の外力によって拡大して全体破壊につながるかといった問題について，評価パラメータの同定や，材料固有の具体的な特性値を測定する試験方法の開発が行なわれています。こうした研究によって，層間応力による層間剥離の発生はある程度予測が可能になってきました。
図２ 積層板引張試験片に生じた層間剥離(配線は歪み測定用のもの)
(a)剥離発生前，(b)剥離発生後
