炭素繊維はどれくらい強いですか？ |この要素を非常にタフにする理由を学ぶ
正しく合成された場合、炭素繊維は鋼の10倍の強度になります。しかし、基本形の炭素繊維はどのくらいの強度があり、どのようにしてその強度を最大化できますか？この投稿では、これらの質問などに回答します。
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- どのようにして強力な炭素繊維を作りますか？
- 炭素繊維が非常に強いのはなぜですか？
- 炭素繊維は壊れやすいですか？
- カーボンファイバーはKEVLAR®よりも強力ですか？
- 炭素繊維を燃やすことができますか？
- 炭素繊維は錆びることがありますか？
- 炭素繊維フィラメントの強度はどれくらいですか？
どのようにして強力な炭素繊維を作りますか？
まず、繊維やその他のポリマーのシートを、酸素のない空間で非常に高温に加熱します。酸素がないため、繊維は燃えませんが、代わりに非常に熱くなり、炭素原子だけが残ります。
次に、炭素が安定化され、炭素化されます。これには、耐火性カーボンを屋外で高温に加熱し、化学ガス（酸素ではない）で満たされた炉に入れてさらに調理することが含まれます。
第三に、シートを冷却し、酸素を含むさまざまな化学ガスに浸して、結合特性を向上させます。
最後に、エポキシ樹脂コーティングがシートに適用され、製品の製造に使用されるときに繊維を損傷から保護します。コーティングの組成は、繊維に使用される最初の材料によって異なります。
これは、非常に強力な建築材料であるが、それでも壊れやすく、いくつかの点で壊れやすい単一の炭素繊維シートを作成するプロセスです。炭素繊維シートがほとんど壊れにくくなる方法の詳細については、以下の「炭素繊維は簡単に壊れますか？」のセクションを参照してください。
強力な炭素繊維を作ることは非常に複雑なプロセスであり、家庭では絶対にできないことを知っておくことが重要です。
このビデオを見て、炭素繊維を拡大して、炭素繊維のストランドがどれほど強く、緊密に編まれているかを確認してください。
炭素繊維はなぜそれほど強いのですか？
炭素繊維は、その分子の鎖状の結合により、地球上で最も強力な材料の1つです。この構造は、すべての化学反応と、製造中に繊維が通過する極端な温度変化の間に作成されます。
このプロセスは、何千もの小さなストランドを結合し、エポキシと混合します。これらのストランドは炭素繊維の層を形成し、その強度はストランドの正確な方向と層で使用される布の種類によって影響を受けます。
炭素繊維の単層は通常約0.25mmの厚さであり、それほど強くはありません。実際、その厚さでは、炭素繊維は非常に壊れやすいです。これは、炭素繊維の強度について知っていることとは直観に反するかもしれませんが、強度は、「レイアップ」とも呼ばれる繊維の配向と織り方を使用して、複数の層を積み重ねるプロセスでも作成されます。
炭素繊維の分子純度は、しっかりと結合した構造を発達させるのにも役立ちます。
炭素繊維は簡単に壊れますか？
簡単な答えは、上記のように、それができるということです。炭素繊維の素晴らしいところは、強度と強度の方向を制御できることです。たとえば、一方向で非常に強く、他の方向でより柔軟にしたい場合は、特定の種類の生地とレイアップを使用してそれを行うことができます。
一方向スプレッドシート
説明するために、寿司を作るために使用されるそれらの木のマットの1つを想像してください。マットは、互いに平行に走り、一緒に束ねられた細い木の棒の束から作られています。その結果、木目に対して曲げるとマットを簡単に曲げることができます。ただし、木目で曲げると、マットはまったく曲がりにくくなります。これは、実際には、木の棒を折るのに十分なほど強く曲がることを意味するためです。
炭素繊維シートは、寿司マットに似た一連の平行な棒で構成されています。しかし、炭素繊維では、ロッドは処理された繊維から作られ、木材よりもはるかに強力です。このため、ロッドと同じ方向に圧力を加えると、炭素繊維のシートを壊すのは非常に困難です。一方向に走る1枚のロッドは、すべての繊維が同じ方向に走る「一方向」と呼ばれるタイプの炭素繊維ファブリックに似ています。
ここで、2つの寿司マットを重ねて接着し、下のマットの木製の棒を一方の方向に、上のマットの棒をもう一方の方向に向けるとします。これで、マットはお互いを支え合い、お互いがどちらの方向にも曲がらないようにします。
一方向炭素繊維を使用すると、材料の層を積み重ねるときに、各層で強度の方向を制御できます。この強度方向の制御は、炭素繊維の利点の1つです。複数のレイヤーを利用することで、特定のアプリケーションに必要なだけの最終製品を作成できます。
織りシーツ
炭素繊維の織られたシートでは、フィラメントはバスケットのストランドのように一緒に織られて、よりよく一緒に保持されます。さまざまな理由で使用されるさまざまな種類の織り方がたくさんあります。それは美的であるかもしれません、または特定のタイプの材料を型に加工するのがより簡単であるかもしれません、そして/またはそれは複数の方向でより強いかもしれません。使用されている生地の種類と、強度を制御するために配置されている向きはすべて、レイアップ戦略の開発の一部です。
ただし、どのような種類の織り方でも、1枚の織物繊維は、層状にしない限り非常に弱くなります。
配向が交互になっている炭素繊維シート（織物または一方向）のスタックは非常に強力です。実際、鋼の最大18倍の強度です。
このビデオを見て、炭素繊維がどのように強力になっているのかを確認してください：
炭素繊維はKEVLAR®よりも強力ですか？
炭素繊維とアラミド繊維（KEVLAR®は単にアラミド繊維のブランドです）の強度はほぼ同じですが、それぞれに長所と短所があります。
まず、両方の素材がそれぞれの生地の薄いシートをたくさん含んでおり、複数の織り繊維の層を使用して厚くした場合にのみ実際の強度を達成することを理解してください。
多くの層が織り合わされている場合でも、炭素繊維は非常に細くて軽いです。非常に丈夫ですが、ナイフのような鋭利なものに立ち向かうのに苦労します。
一方、KEVLAR®は炭素繊維よりも太く、浸透しにくいです。ただし、厚みがあるため、重く、柔軟性が低くなります。また、炭素繊維よりも耐熱性がはるかに低くなっています。
炭素繊維を燃やすことができますか？
炭素繊維を燃やすのに苦労するでしょう。
750度まで加熱すると、燃焼する燃料源が適用されている限り、非常にゆっくりと燃焼します。しかし、その時点でも、燃料源が取り除かれるとすぐに燃焼は停止します。
その限られた燃焼は、炭素自体が燃焼しないため、繊維内の炭素と結合した樹脂によって引き起こされます。繊維が燃焼する唯一の理由は、繊維に含まれる非炭素成分が燃焼するためです。
さまざまな種類の熱をサポートできるさまざまな種類の樹脂があります。一般的なエポキシ樹脂は華氏約200度まで良好ですが、高熱樹脂は通常400度までの熱に耐えます。使用している樹脂の仕様を必ず確認してください。
炭素繊維は非常に耐熱性がありますが、それでも非常に強力であるため、エンジン内部のサイディングなどの多くのエンジニアリングアプリケーションで使用されています。
炭素繊維は錆びることがありますか？
いいえ。製造中に複雑な化学プロセスが使用されるため、炭素繊維の緊密な結合は酸化の影響を受けません。炭素繊維を損傷から保護するために使用されるエポキシ樹脂は不活性であるため、錆やその他の腐食タイプから安全です。
炭素繊維フィラメントの強度はどれくらいですか？
炭素繊維フィラメントは、炭素繊維織物に使用される個々の紐です。これらのストランドは通常、CFRP（炭素繊維強化プラスチック）のRPである樹脂を使用して結合されます。カーボンファイバーの正確な化学組成に使用されている材料を組み合わせることで、エンジニアはその部品よりもさらに耐久性があり、丈夫で、軽量なものを作成できます。
織物では、炭素繊維の各ストランドには通常、人間の髪の毛の幅よりも小さい1,000〜12,000本のフィラメントがあります。
では、炭素繊維はどれくらい強いのでしょうか？言い方を変えてみましょう。世界には炭素繊維よりも強力な材料は多くありません。特に市販されているものはありません。
実際の炭素繊維の強度を見たいですか？このビデオをチェックしてください！
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