炭素繊維の特性
炭素繊維の素材としての評価は、神秘的なまでに高まっています! 最高で最強という評判だけでなく、カーボンファイバーでできたものを持つことがかっこよくなった！
私は専門家であるとは言いません。 この記事は、私がカーボンファイバーに関する研究で見つけた情報を組み合わせたもので、一次資料ではありません。 正確を期していますが、間違いもあります。 もし、マストやその他の船用品を作ろうと思っているのなら、よく調べてください。 専門家に相談し、慎重に。
まず、カーボンファイバーとは
カーボンファイバーは、意外かもしれませんが、長軸に並んだ炭素の結晶でできています。 このハニカム状の結晶が、長い扁平なリボン状に組織化されているのです。 この結晶の配列が、リボンの長軸方向の強度を高めているのです。 そして、このリボンが繊維の中に整列している。 繊維の形は、炭素繊維を作るための材料（その前駆体）の原形である。 炭化した後に繊維を成形するような工程は、私は知らない。 この繊維（炭素の結晶の平らなリボンを含む）を、今度はメーカーが太い繊維に束ね、カーボンクロスに織ったり、フェルトにしたり、ねじったり、ねじらずに束ねたりするのである。 これをロービングという。
レイアップの特性を変更するために、ガラス繊維、ケブラー、アルミニウムなど、他の材料が加えられることもあります。 炭素繊維がそのまま使用されることはほとんどありません。 むしろ、マトリックスに埋め込まれています。
炭素繊維の製造
炭素繊維の製造方法はいくつかありますが、基本的にはすべて、炭素を多く含む前駆体材料から繊維を作ることから始まります。 繊維の元のサイズと形状は完成した炭素繊維に残りますが、内部の化学構造はさまざまな加熱サイクルによって大幅に変更されています。 最初のステップは、PAN（ポリアクリロニトリル）、ピッチ、レーヨンのいずれかの前駆体繊維を炭化・延伸することです。 酸素を遮断し、温度を変化させながら加熱するサイクルが何度か繰り返される。 この工程で、出発原料の他のほとんどの元素（主に水素と窒素）を追い出し、炭素を残す。 また、炭素が徐々にハニカム状に結晶化するのも特徴である。
炭素繊維の物理的特性を決定する最も重要な要因は、炭化の程度（炭素含有量、通常は92重量％以上）と、層状炭素面（リボン）の方向性です。
出発材料と炭化のプロセスによって、炭素繊維は最終的な目的に合うように変更されます。 PANまたはポリアクリロニトリルは、プラスチック複合材料のための最も一般的な前駆体である。 異なる加熱サイクルを使用することにより、どちらかが強調されることができます。
繊維の内部構造が重要なだけでなく、完成品にどのように並べられるかが、作られるアイテムの特性に大きな影響を及ぼします。
カーボンファイバーの特性、好きにならないわけがない！
カーボンファイバーの特性、好きになるわけがない！
カーボンファイバーの特性、好きになるわけがない。
- 重量に対する強度が高い
- 剛性
- 耐腐食性
- 導電性
- 疲労耐性
- 引っ張り強度は良いが、
- 耐久性が低い
- 耐久性が低い
- 耐久性が低い。 脆い
- 難燃性/不燃性
- 形状によっては熱伝導率が高い
- 低熱膨張係数
- 無毒
- 生物学的に不活性
- X-Z軸方向へ移動可能
-
-
- X-Z軸方向移動可能光線透過性
- 比較的高価
- 使用するには専門的な経験と設備が必要。
カーボンファイバーの特性、好きになるわけがない。
- 重量に対する強度が高い
- 剛性
- 耐腐食性
- 導電性
- 疲労耐性
- 引っ張り強度は良いが、
- 耐久性が低い
- 耐久性が低い
- 耐久性が低い。 脆い
- 難燃性/不燃性
- 形状によっては熱伝導率が高い
- 低熱膨張係数
- 無毒
- 生物学的に不活性
- X-Z軸方向へ移動可能
- X-Z軸方向移動可能光線透過性
- 比較的高価
- 使用するには専門的な経験と設備が必要。
詳しくは書きませんでしたが、炭素繊維は自己潤滑性があり、また優れたEMI（電磁妨害）シールド特性も持っています
1- 炭素繊維は重量に対する強度が高い（比強度とも呼ばれる）
材料の強度は破壊時の単位面積当たりの力をその密度で割ったものです。 強度が高く、かつ軽い材料は、強度／重量比が有利になります。 アルミニウム、チタン、マグネシウム、炭素繊維、ガラス繊維、高強度鋼合金などの材料は、すべて良好な強度/重量比を有しています。
以下の数値は比較のためのものであり、組成、合金、スパイダーの種類、木材の密度などによって異なります。 単位はkN.m/kgです。
| スペクトルファイバー | 3619 |
| ケブラー | 2514 |
| 炭素繊維 | 2457 |
| ガラス繊維 | 1307 |
| スパイダーシルク | 1069 |
| カーボンエポキシコンポジット | 785 |
| バルサ アキシアル荷重 | 521 |
| 鉄合金 | 254 |
| アルミ合金 | 222 |
| ポリプロピレン 89 | |
| オーク | 87 |
| ナイロン | 69 |
強度と剛性は異なる特性であるので注意すること。 強度は壊れにくさ、剛性は曲げや伸びに対する強さです。
炭素繊維の結晶は、長いフラットリボンやハニカム結晶の狭いシートに配向するため、強度は繊維を横切るよりも縦に走る方が高いのです。 そのため、炭素繊維の設計者は、特定の方向の強度と剛性を最大化するために、繊維の敷設方向を指定します。
Pan-based precursor carbon fibre has higher strength than pitch based carbon fibre which has higher stiffness.
2- Carbon Fiber is very rigid
Rigidity or stiffness of a material is measured by its Young Modulus and measures how much the material defects under stress.The fiber is highly stiffness.The fiber are arranged with the direction of greatest stress.2- Carbon Fiber is very rigid.Odyssey. 炭素繊維強化プラスチックは、ガラス強化プラスチックの4倍以上、松の木の20倍以上、アルミニウムの2.5倍以上の剛性を持っています。
Remember stress is force, strain is deflection such as bending or stretching
3- Carbon fiber is corrosion resistant and Chemically Stable.
The carbon fiber itself is not deteriorably measurably, but Epoxy is sensitive to sunlight and needs to be protected.炭素繊維は劣化が少ないが、エポキシ樹脂は日光に弱いので保護する必要がある。
Carbon fibres can be affected by strong oxydizing agents
Composites made from carbon fibre must be made with UV resistant epoxy (uncommon) or covered with a UV resistant finish such as varnishes.
4- Carbon fiber is Electrically Conductive
This feature may be useful or be nuisance.
This features is also able to be used in the future. このような状況下、当社では、お客様のニーズに合わせた最適なソリューションをご提案させていただきます。 炭素繊維の導電性は、継手のガルバニック腐食を促進する可能性があります。
Carbon Fiber dust can accumulate in a shop and cause sparks or short circuit in electrical appliances and equipment.
There is a quite many R&D on using the electric conductivity of carbon fibre to produce heat either for faster curing of composite materials or the heating capabilities itself.複合材料の硬化を早めたり、暖めたりするために、炭素繊維の導電性を利用した研究が行われているのですが、そのような研究はほとんどありません。 これは、冬服や過酷な環境に置かれた衣服に応用できるかもしれません。
こちらは、導電性繊維とその戦闘創検出における使用に関する研究論文です。
引張疲労における損傷は、応力サイクルの数が多くなると剛性の低下として現れます（温度が高くない限り）
試験により、繰り返し応力が繊維配向と一致している場合は、破損が問題になる可能性が低いことが示されています。
繊維の配向と異なる繊維層の配向は、複合材料がどのように疲労に抵抗するかに大きな影響を与えます（剛性に影響するのと同様）。 適用される力のタイプもまた、異なるタイプの故障を引き起こします。
Oak Ridge National Laboratory による自動車用炭素繊維複合材料の試験に関する論文。
Oak Ridge National Laboratoryの論文、自動車用炭素繊維複合材料の試験について、American Institute of Aeronautics and Astronautics、風力タービンブレードに使用する材料についての試験。 ネッキングとは、サンプルの断面が著しく収縮し始めることである。 例えば、ビニール袋を引っ張ると、伸びて、あるところから細くなり始める。 これがネッキングである。 引張強度は、単位面積当たりの力で測定される。 炭素繊維のような脆い材料は、内部に欠陥があるため、常に同じ応力レベルで破壊されるとは限りません。 小さなひずみで破断する。 (言い換えれば、破断するまでの曲げ伸ばしの回数が少ない)脆性材料のワイブル係数
試験は、一定の断面積のサンプルを採取し、徐々に力を加えてサンプルが変形または破断するまで引っ張ります。 炭素繊維のように直径が1/10,000インチしかない繊維を適当な形状の複合材料に加工して試験を行う。
| 炭素鋼 1090 | 650 | |
| 高密度ポリエチレン（HDPE） | 37 | |
| ポリプロピレン | 19.0 |
| 炭素鋼 1090 | 19.07-80 | |
| 高密度ポリエチレン | 37 | |
| ステンレス鋼 AISI 302 | 860 | |
| アルミニウム合金 2014-> | ||
| アルミニウム合金T6 | 483 | |
| アルミニウム合金 6063-T6 | 248 | |
| E-ガラス単独 | 3450 | |
| E-…積層板ガラス | 1500 | |
| 炭素繊維単独 | 4127 | |
| 炭素繊維積層 | 1600 | |
| Kevlar | 2757 | |
| Pine wood (parallel to grain) | 40 |
NOTE.PATH (ケブラー) カーボンファイバーやその他の繊維、均質でない材料を試験する場合、一貫性があり比較可能なサンプルを作成する必要があります。 これは簡単な手順ではありません。 強度/剛性が比較される研究を読むと、研究者は必ず、マトリックスの種類、繊維の配列、繊維とマトリックスの比率など、サンプルがどのように製造されたかを説明します。
7- 耐火性/不燃性
ここでは、マトリックスを燃やして炭素繊維をリサイクルする方法について説明します。
炭素繊維は、ほとんどの場合、エポキシ、プラスチックまたはコンクリートなどのマトリックスで使用されるため、高温に対するマトリックスの耐性がより重要な要因となります。
製造工程と前駆体材料によっては、炭素繊維は手にかなり柔らかい感触を与えることができ、消防用の防護服に組み込まれたりすることがあります。 ニッケルコーティングされた繊維はその一例です。
8- カーボンファイバーの熱伝導率
カーボンファイバー、ナノチューブ、グラフェンなどのカーボンベース材料の熱伝導率に関する私の記事を参照してください。
メートル単位やインペリアル単位によって、いくつかの測定方法があります。
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0.85984 kcal/(hr.m.oC) = 0.5779 Btu/(ft.hr.oF)
このテーブルは比較だけのためのものです。 単位はW/(m.K)
| Air | .024 | |
| Aluminium | 250 | |
| Concrete | ||
| Carbon Steel | 54 | |
| Mineral Wool insulation | .04 | |
| Plywood | .0 | の3種類。13 |
| Quartz | 3 | |
| Pyrex Glass | 1 | |
| Pine | .B.12 | |
| Carbon Fiber Reinforced Epoxy | 24 |
炭素繊維は多くのバリエーションを持つため、熱伝導率を正確に特定することは不可能です。 炭素繊維の特殊なタイプは、熱伝導率が高いか低いかに応じて特別に設計されています。 また、この機能を強化するための取り組みも行われています。
材料情報協会に「グラファイト」別名「炭素繊維」のページがあります
9- 低熱膨張係数
これは、温度が上がったり下がったりしたときに材料がどのくらい伸縮するかを示すものです
単位はインチ/インチ度F、他の表のように、単位は比較としてそれほど重要視されていないです。
| スチール | 7 |
| アルミニウム | 13 |
| ケブラー | |
| 炭素繊維織物 | 2本以下 |
| 炭素繊維一方向 | |
| ガラス繊維 | マイナス58 |
| 真鍮 | 11 |
炭素繊維は、幅広いCTEを持つことが可能です。 測定方向、布の織り方、前駆体材料、パンベース（高強度、高CTE）またはピッチベース（高弾性/剛性、低CTE）に応じて、-1～8+となります。
高いマストでは、さまざまな材料の熱膨張係数の違いにより、リグの張力がわずかに変化します。
熱膨張係数が低いため、炭素繊維は小さな動きが重要である用途に適しています。
10-11-12 非毒性、生物学的不活性、X線透過性
これらの品質により、炭素繊維は医療用途に有用である。
毒性はないものの、炭素繊維はかなり刺激性があり、長期間の無防備な状態での暴露は制限する必要があります。
13- カーボンファイバーは比較的高価
強度、剛性、軽量化という優れた利点を備えていますが、コストがネックになります。 航空アプリケーションやレースなど、重量の利点が特別に重要でない限り、余分なコストをかける価値はないことが多いのです。 8536>
カッコよさやファッショナブルさを数値化するのは難しい。
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14- カーボンファイバーは脆い
繊維の層は強い共有結合で形成されています。 シート状の集合体であるため、容易に亀裂を進展させることができます。 繊維が曲がるとき、非常に低いひずみで破損する。
Effect of varying carbon fibre and matrix ratio
15- Carbon Fiber is not geared to Amateur techniques.
Carbon Fiber Characteristicsを最大限に引き出すには、比較的高いレベルの技術力を達成する必要があります。 不完全なものや気泡は、性能に大きな影響を与えます。 一般的には、オートクレーブ、または真空装置が必要です。
アマチュアのカーボンファイバー建築の成功は、その技術と注意に密接に関係しています。
ここに、Easy Composite Ltd.によるカーボンファイバーを使ったさまざまな技術に関するYouTubeビデオへのリンクがあります。
この記事は執筆中のものです。 このテーマを探求しながら、情報を追加し、文章を洗練させていくつもりです。 私が提示した情報は、さまざまな情報源から得たものです。 可能な限り検証するよう努めました。 メーカーのデータ、研究論文、大学の論文など、「信頼できる情報源」を使うように心がけています。 また、概要についてはウィキペディアに頼っています。
Christine.
email if you find mistakes, I’ll fix them and we’ll all benefit: Christine
テネシー大学の炭素繊維製造に関する良い記事。