炭素繊維はどのくらい耐久性がありますか？
炭素繊維は鋼よりも強く、ガラス繊維よりも軽く、アルミニウムよりも剛性があります。しかし、それは耐久性がありますか？多くの要因が材料の耐久性を高めます。カーボンファイバーが時間の経過に伴う摩耗にどれだけ耐えられるかを見てみましょう。
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この記事の内容：
- 炭素繊維は錆びることがありますか？
- 炭素繊維は壊れますか？
- 気象条件は炭素繊維の耐久性に影響しますか？
- 炭素繊維は熱に耐えることができますか？
- カーボンファイバーは防弾ですか？
炭素繊維は錆びることがありますか？
炭素繊維は化学的に安定しており、耐食性があり、錆びません。そのため、過酷な環境でうまく機能します。ただし、過酸化水素や硫酸などの強力な酸化剤が影響を与える可能性があります。
同様に、エポキシ樹脂は不活性で、錆びたり腐食したりしません。しかし、それは日光に敏感です。したがって、日光による長期的な損傷を防ぐために、耐紫外線仕上げの炭素繊維複合材を覆ってください。
炭素繊維複合材料は、一部の金属と接触するとガルバニック腐食を引き起こす可能性があることに注意してください。短期的には明らかな表面腐食を引き起こすことはありませんが、腐食生成物が蓄積し、時間の経過とともに損傷を引き起こします。幸いなことに、これには特定の条件が必要であり、一部のコーティングは保護を提供します。
炭素繊維は壊れますか？
簡単な答えはイエスです。どのマテリアルも失敗する可能性がありますが、それよりも少し複雑です。製造工程、設計、使用などの多くの要因が耐久性に影響を与えます。
たとえば、隙間ができる可能性があり、メーカーが樹脂を不均一に塗布したり、十分に使用しなかったりすると、ひびが入る可能性が高くなります。時間が経つにつれて、これらの小さな亀裂は、それが壊れるまで広がる可能性があります。わずかな影響でも、最終的には失敗につながる可能性があります。
繊維と繊維層の配向も耐疲労性に大きな影響を及ぼします。あなたが加える力のタイプもそうです。圧縮力、せん断力、引張力により、さまざまな種類の破損が発生します。
たとえば、0°レイアップの織物繊維は、45°よりもねじり強度が低くなります。そのため、ひねると壊れることがあります。
肝心なのは、特定の部品の負荷しきい値を下回っていれば、簡単には壊れないということです。
また、差し迫った故障を示す損傷の兆候を検出することは困難であることに注意してください。また、曲がったり座屈したりする他の材料とは異なり、炭素繊維が破損すると、見事に破損して粉々になる可能性があります。
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気象条件は炭素繊維の耐久性に影響しますか？
炭素繊維は熱膨張が小さいです。そのため、その形状、面積、体積、または密度は、温度変化に応じて大きく変化することはありません。それは、長期的には天候の影響を受けないという意味ではありません。調査によると、気象条件の組み合わせは、さまざまな設定で炭素繊維に明確な影響を与える可能性があります。
凍結融解サイクル
土木工学研究財団は、凍結融解サイクルを炭素繊維の耐久性に対する潜在的な脅威として特定しました。さらに、彼らは、凍結融解条件が塩水で炭素繊維補強コンクリートをより劣化させることを発見しました。
完全性を失うのは必ずしも炭素繊維ではなく、マトリックス内に形成されるマイクロクラックとファイバー/マトリックスの剥離です。また、その効果の一部は、構造用接着剤が他の炭素繊維の用途ほど高度ではないためです。
最後に、これらの影響にもかかわらず、別の研究では、炭素繊維補強コンクリートが標準コンクリートよりも耐久性があることがわかりました。
湿熱老化
湿熱劣化は、一部の用途では炭素繊維の耐久性に影響を与える可能性がありますが、他の用途では影響を与えません。
湿熱老化とは何ですか？湿熱老化とは、熱と湿気の組み合わせと、それが構造にどのような影響を与えるかを指します。
熱や湿気に長時間さらされても、炭素繊維の曲げ強度にはほとんど影響しない場合があります。しかし、持続的な負荷と塩水の存在下では、引張強度は7％から12％の間で低下します。
乾湿サイクル
ある研究によると、乾湿サイクルは引張強度に重大な悪影響を与える可能性があります。 4000回の乾湿サイクルの後、故障の可能性は著しく増加します。
対照的に、炭素繊維の変形への影響は限定的です。
UV露光と凝縮
UV放射と凝縮は相乗的に作用し、エポキシマトリックスの侵食を引き起こしますが、炭素繊維には影響しません。エポキシの侵食により、最終的に引張強度が最大29％低下し、耐久性が低下する可能性があります。
前述のように、UV耐性仕上げは、炭素繊維複合材の保護に役立ちます。
全体として、気象条件は炭素繊維に影響を及ぼします。ただし、効果は使用方法によって異なります。たとえば、気象条件は、カーボンバイクのフレームよりもカーボンファイバーを使用した建物に大きな影響を与えます。
炭素繊維は熱に耐えることができますか？
炭素繊維は熱に耐えることができます。しかし、炭素繊維は主にコンクリート、プラスチック、エポキシなどのマトリックスに使用されているため、耐熱性が制限される場合があります。言い換えれば、マトリックスは、炭素繊維部品が繊維のみよりも熱に耐えられるかどうかにおいて、より重要な役割を果たします。
たとえば、一部のエポキシは100℃（212℉）までの温度に耐えることができますが、炭素繊維強化カーボンマトリックス複合材料は2000℃（3632℉）を超える温度に耐えることができます。
カーボンファイバーは防弾ですか？
理論的には、炭素繊維は弾丸を止めることができますが、Kevlar®または他のアラミド繊維はより柔軟性と耐衝撃性があります。さらに、Kevlar®は防弾装甲のためのより費用効果の高いオプションです。
カーボンファイバーは、一部の物体に対して高レベルの保護を提供します。力の影響を分散させるため、レーシングドライバーが保護に使用することがよくあります。しかし、弾丸に関しては、それを止めるために多くの層が必要になります。
このビデオを見て、炭素繊維複合材が弾丸に対してどのように公正であるかを確認してください。
ただし、カーボンナノチューブは弾丸に耐えることができます。ナノチューブは、六角形のパターンを繰り返して結合した炭素原子で構成され、中空の円柱を作成します。これらのナノチューブは、炭素繊維、場合によってはケブラー®よりも弾道ミサイルからのエネルギーをよりよく吸収できます。
最も基本的な形では、炭素繊維はカーボングラファイトであり、事実上永久に持続します。この材料は通常、光分解性または生分解性ではありません。ただし、マトリックスなど、いくつかの要因が耐久性に影響を与えます。さらに、複合材料と環境要因の激しい使用は、その耐久性と潜在的な用途に影響を与える可能性があります。一般に、科学者は炭素繊維部品が50年以上続くと予想しています。
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