繊維強化プラスチックを理解する

今日、製品や用途における繊維強化プラスチックの使用は、そのさまざまな特性により劇的に増加しています。これらは、非腐食性、高強度、軽量の比較的新しいクラスの材料です。主な構成要素は、ガラス (ガラス繊維)、炭素 (炭素繊維強化ポリマー)、アラミド、または玄武岩などの繊維を含むプラスチックです。紙、木材、アスベストなどの他の繊維も使用されますが、一般的ではありません.

繊維強化プラスチックまたはポリマー (FRP) は、航空宇宙、自動車、海洋、および建設業界で一般的に使用されています。これらすべてについて、この記事で詳しく説明します。

今日は、繊維強化プラスチックの定義、用途、コンポーネント、特性、種類、成形プロセス、および材料要件を詳しく見ていきます。また、それらの長所と短所についても説明します。

繊維強化プラスチックとは?

繊維強化ポリマーとも呼ばれる繊維強化プラスチック (FRP) は、特に繊維材料を使用してプラスチックの弾性と強度を機械的に向上させる複合プラスチックとして分類されます。それらは、元のプラスチックであるポリマーマトリックスで構成されています（通常は丈夫ですが弱いです）。材料は強化材料とブレンドされ、所望の材料または機械的特性を備えた最終製品が得られます。これを詳しく理解しましょう!

従来、ポリマーは一般に、重合または付加重合のプロセスによって形成される。さまざまな薬剤と組み合わせて、その材料特性を強化または向上させることができ、これをプラスチックと呼ぶことができます。複合プラスチックは、特定の望ましい材料特性と機械特性を持つ最終製品を得るために、異なる材料特性を持つ 2 つ以上の均質な材料から生じるプラスチックの一種です。複合プラスチックの良い例は繊維強化プラスチックです。これは、繊維材料を使用してプラスチックの強度と弾性を機械的に強化するためです。ポリマーは通常、ビニルエステル、またはポリエステル熱硬化性プラスチック、エポキシ、フェノールホルムアルデヒド樹脂も使用されます.

繊維強化プラスチックの用途

以下は、さまざまな分野での FRP のアプリケーションです。

自動車産業

繊維強化プラスチックは、現代の高級車のボディ、トラックやトレーラーのボディ サイディングにおいて、金属の代替品となっています。これは、それらがほぼ同じ強度で重量が異なるためです。さらに、高い強度対重量比は、自動車産業の聖杯です。 FRP は鋼よりも破断点が高く、強く、硬く、軽量な素材であり、速度を上げながら燃費を向上させます。この材料は、所望の部品を形成するために容易に成形される。この複合プラスチックの利用率は、この分野で劇的に高くなっています。

インテークマニホールドなどのエンジン部品には、ガラスFRPなどの繊維強化プラスチックが使われています。これにより、重量が最大 60% 削減され、デザインが合理化されます。ただし、ガラス FRP は強度が低く、カーボン FRP に比べて簡単に曲げることができます。

消費財

今日、私たちの日常生活の中で、特にスポーツ選手にとって、機器を持ち上げるのは簡単です。これは、カーボンやその他の繊維強化プラスチックが製品に使用されているためです。 FRP の約 6% が消費財の製造に使用されています。楽器やその部品、銃器、キャンプ テント、カメラの三脚などの他のアイテムも、これらの素材の恩恵を受けています。

保護具

アラミドと呼ばれる化合物を FRP に使用すると、非常に高い耐熱性と耐衝撃性を備えた材料が製造されます。使用すると抜群の機械的強度が得られます。これが、防弾および耐火スーツ、防爆車両、構造物を作るのに最適な理由です。

建設業

建築分野では、橋梁や道路などを含め繊維強化プラスチックが約20％採用されています。建設における FRP の適用は、既存の構造物のスラブ、柱、または梁を改造するために使用できます。これにより、耐荷重能力が向上するか、損傷が修復されます。繊維強化プラスチックは非常に費用対効果が高く、設計されたものよりもはるかに大きな負荷に耐える古い構造を装備する場合に役立ちます.

FRP は、看板、ガードレール、排水システム、橋のデッキなどの高速道路構造物の製造にも使用されます。自動車のスカイウェイ、電柱、ガス、水道、下水のパイプラインもこの材料を利用しています。 FRP はプレハブ住宅の建設に最適かもしれませんが、家庭用およびビジネス用オフィス家具、家電製品、プール、雨どい、浴室設備、パイプ継手およびフードに広く使用されています。

電力産業

予想通り、FRP の需要は産業およびエネルギー用途で 300% 以上増加すると予想されています。特に電子および電気部品。

ほとんどの FRP は優れた電気絶縁体であり、腐食性のものを含む厳しい環境化学物質に耐え、熱による劣化に耐えることができます。また、それらは比較的不燃性であり、構造的完全性が良好で、紫外線にも耐えることができます。ガラス FRP は非磁性であり、火花にも耐えることができるため、電力部品に役立ちます。

最後に、強化プラスチックは、風力タービン ブレードの構築とガス タンクの貯蔵モジュールに使用されます。

航空宇宙用途

環境コストの低減や開発の進展により、航空宇宙分野でのFRPの用途が拡大しています。 FRP の炭素繊維は、重量を 25% 削減しますが、アルミニウム シートと比較して同等以上の強度を確保します。それらは優れた引張強度を提供し、過酷な環境や非常に高い温度に耐えることができます。ただし、熱による膨張が少なく、高い剛性を備えています。

航空宇宙産業での FRP の適用は最初は費用がかかりますが、燃料消費、移動距離、コスト、空気力学的安全性などへの影響により、1 グラムの追加重量が嫌われるため、より多くの費用を節約できます。

カーボン-FRPにより、複雑な部品を簡単に成形でき、部品点数を驚異の95%削減。これにより、鋼や鋳造アルミニウムなどの他の材料と比較して、生産がより簡単、安価、高速になります。現代の巨大航空機は 50% 以上がカーボン FRP でできており、ハイエンド ドローンのヘリコプターのローター ブレードなどの部品も、ますますこの素材で作られています。

海洋インフラ

繊維強化ポリマーは、木材、船、または海洋のウォーターフロント環境での理想的な代替品になりました。これにより、構造重量が軽減され、耐食性が向上します。その他のアプリケーションには、海上基地やローリング ブリッジ用の浮き土手道やプラットフォームが含まれます。

複合材料の成分

以下は、繊維強化プラスチックを構成するコンポーネントです。

繊維:

選択された繊維は、通常、複合材料の特性を制御します。建設に使用される主要な 3 種類の繊維には、カーボン、ガラス、アラミドがあります。多くの場合、強化繊維によって名前が付けられます。たとえば、炭素繊維強化ポリマーの CFRP です。繊維の種類を区別する最も一般的で重要な特性は、引張歪みと剛性です。

マトリックス

マトリックスは繊維間で力を伝達し、有害な影響から繊維を保護します。このような状況では、熱硬化性樹脂がほぼ独占的に使用されます。最も一般的なマトリックスはビニルエステルとエポキシです。良い。エポキシはしばしばビニルエステルよりも好まれますが、より高価です。エポキシマトリックスのポットライフは摂氏 20 度で約 30 分間ですが、異なる配合で変更することができます。強度、接着性、クリープ特性、耐薬品性に​​優れています。

図 2:ファイバー プラス マトリックスが FRP を生成

さらに、繊維強化のない元のプラスチック材料は、マトリックスまたは結合剤として知られています。このマトリックスは丈夫で比較的弱いプラスチックであり、より強力で堅い強化フィラメントまたは繊維によって強化されています。繊維強化プラスチックで強化される強度と弾性のレベルは、マトリックスと繊維の両方の機械的特性に依存します。それらの相互の体積、およびマトリックス内の繊維の長さと方向も考慮されます。マトリックスの強化は、定義上、FRP 材料がマトリックスのみの強度と弾性に比べて強度または弾性の増加を示す場合に発生します。

繊維強化プラスチックの共通特性

前述のように、繊維強化プラスチックの特性は、マトリックスと繊維の機械的特性などの要因に依存します。両方の体積と長さ、およびマトリックス内の繊維の方向。

FRPが広く検討されている理由は、軽量でありながら信じられないほどの強度と疲労の良さです。また、その衝撃と圧縮特性もユニークな理由です。これが、自動車業界が金属を軽量の材料に置き換えることで、自動車をより強くするだけでなく、より速く、より燃費の良いものにすることができた理由です。

繊維強化プラスチックは、優れた断熱性、構造的完全性、耐火性、UV 放射安定性、および化学薬品や腐食剤に対する耐性に加えて、独特の電気的特性と高度な環境耐性も示します。まあ、これらはすべて上で述べた.

材料要件または一般的な繊維材料

以下は、特定の種類の強化ポリマーを得るために使用される繊維です。

グラス:

優れた絶縁体として機能するガラスは、マトリックスと組み合わせると、ガラス繊維またはガラス強化プラスチックを形成します。ガラスで強化されたプラスチックは、磁場がなく、電気スパークに耐性があるため、電力産業にとって有益です。それらはエンジンの吸気マニホールドに組み込まれ、鋳造アルミニウムのマニホールドよりも 60% 軽量化されています。最後に、これらの材料の表面品質と空気力学が改善されます。

ガラスFRPは、自動車のアクセルペダルやクラッチペダルも一体成形できることから採用されています。繊維は、特定の応力をサポートするように配向されており、耐久性と安全性が向上しています。ただし、これらの強化材料は、炭素繊維強化材料ほど強くなく、硬くもろくもありません。生産コストが高くなる可能性があります。

カーボン

炭素繊維材料は、高い引張強度、耐薬品性、剛性、および温度耐性を示します。炭素原子は、繊維の軸に沿って横たわる結晶を作成します。これは、体積に対する強度の比率を高めることによって材料を強化するのに役立ちます。前述のとおり、炭素繊維強化プラスチックは、スポーツ用品、グライダー、釣り竿などに使用されています。

エアバス A310 のラダーにカーボン FRP が組み込まれ、部品点数が 95% 削減されました。シンプルな成形部品により、生産コストと運用コストが削減されました。シート アルミニウムで製造されたものよりも 25% 軽くなり、燃料効率が向上しました。

アラミド

アラミドは、芳香族モノマー（環状分子）から形成される合成ポリアミドに分類されます。これは堅牢な耐熱性を示しており、防弾服や耐火服に使用されています。

アラミドは一般に、アミン基とカルボン酸ハライド基（アラミド）との反応によって調製されます。これは、芳香族ポリアミドが液体濃度の硫酸から結晶化された繊維に紡がれるときに存在します。その後、繊維は大きな糸に紡がれ、大きなロープや織物に織り込まれます。アラミド繊維は、強度と剛性に基づいてさまざまなグレードで製造できるため、製造中に丈夫な素材を切断するなど、特定の設計要件を満たすことができます。

繊維強化ポリマー (FRP) の種類

以下は、繊維強化ポリマーの主な種類です。

ガラス繊維強化ポリマー (GFRP)

ガラス繊維は、ケイ砂、石灰石、葉酸、およびその他の微量成分を混合して作られています.この混合物は、約 1260 ⁰ で溶けるまで加熱されます。 Ｃ．溶融ガラスを白金板の微細な穴に流す。ガラスストランドは冷却され、集められ、巻き上げられます。次に、繊維を延伸して寸法強度を高めることができます。その後、複合材で使用するためにさまざまな形に織り込まれます。

ガラス繊維は、ホウケイ酸アルミニウム ライムをベースとしたポリマー マトリックス複合材料の主要な強化材と考えられています。これは、電気絶縁性が高く、機械的特性が高く、感受性が低いためです。

一般に、ガラスは耐衝撃性に優れた繊維ですが、カーボンやアラミドよりも重量があります。ガラス繊維は、特定の形状において鋼と同等以上の優れた特性を持っています。

ガラス繊維強化ポリマーバー

炭素繊維強化ポリマー (CFRP)

炭素繊維強化ポリマーまたはプラスチックでは、約 200 ～ 800 GPa の高い弾性係数が確実に得られます。極端な伸びは 0.3 ～ 2.5 % で、低い伸びは高い剛性に対応し、その逆も同様です。

炭素繊維は多くの化学溶液に耐性があり、水を吸収しません。また、優れた疲労耐性があり、腐食したり、クリープや緩和を示したりしません。

カーボンファイバー強化ポリマーバー

アラミド繊維強化ポリマー (AFRP)

アラミドは芳香族ポリアミドとも呼ばれます。アラミド繊維の有名な商標はケブラーと呼ばれますが、トワロン、テクノーラ、SVM などの他の製品が存在します。繊維の弾性率は 70 ～ 200 GPA の範囲で、品質に応じて極限伸びは 1.5 ～ 5% です。アラミドは破壊エネルギーが高いため、ヘルメットや防弾服に使用できます。

AFRP は高温、湿気、および紫外線に敏感で、土木工学用途では一般的ではありません。最後に、アラミド繊維には緩和と応力腐食の問題があります。

スチールと比較したさまざまなタイプの FRP の特性

繊維強化プラスチックの成形プロセス

ほとんどの繊維強化プラスチック部品は、金型または工具で作られています。使用する金型は、凹型の雌型、雄型、または部品を上型または下型で完全に囲むことができます。しかし、通常、FRP 部品の形状を確立するために剛体構造が使用されます。パーツは、「コール プレート」として知られる平らな面に置くか、「マンドレル」と呼ばれる円筒形の構造に置くことができます。

繊維強化プラスチックの成形プロセスは、金型上または金型内に繊維プリフォームを配置することによって達成されます。この繊維プリフォームは、乾燥繊維または「プリプレグ」として知られる測定量の樹脂をすでに含む繊維である可能性があります。乾いた繊維を手で樹脂で濡らすか、樹脂を閉じた金型に注入します。この時点で、成形品が硬化し、母材と繊維が金型の形状とまったく同じになります。樹脂を硬化させ、最終パーツの品質を向上させるもう 1 つの方法は、熱や圧力を使用することです。

繊維強化プラスチックの成形プロセスの詳細については、以下のビデオをご覧ください:

以下は、繊維強化プラスチックを成形するさまざまな方法です。

膀胱成形:

この成形プロセスでは、プリプレグ材料の個々のシートが重ねられ、風船のようなブラダーとともに女性型の金型に配置されます。金型は閉じられ、加熱されたプレスに入れられます。最後に、ブラダーが加圧され、材料の層が金型の壁に押し付けられます。

圧縮成形:

圧縮成形部品は、繊維強化プラスチックとして知られています。したがって、プラスチックブロック、ゴムブロック、プラスチックシート、または顆粒のような原材料の場合、そう呼ばれます。圧縮成形で使用されるプラスチックプリフォームには、強化繊維が含まれていません。この成形では、SMC または BMC のプリフォームまたはチャージが金型キャビティに配置されます。その後、金型を閉じ、熱と圧力を使用して内部で材料を形成および硬化させます。圧縮成形は、パターンやレリーフのディテールから複雑な曲線や創造的な形、精密工学に至るまで、幾何学的形状の優れたディテールで知られています。

オートクレーブと真空バッグ:

プリプレグ材料の各シートを重ねて開いた金型に入れ、リリース フィルム、ブリーダーまたはブリーザー材料、および真空バッグで覆います。パーツを真空引きし、金型を熱圧力容器としても知られるオートクレーブに入れます。部品は連続真空で硬化され、ラミネートから閉じ込められたガスが抽出されます。このプロセスは、長くて遅い硬化サイクルにより成形を正確に制御できるため、航空宇宙産業では一般的です。時間は1時間から数時間です。この正確な制御は、航空宇宙産業で強度と安全性を確保するために必要な、正確なラミネートの幾何学的形状を作成するのに役立ちます。ただし、これは時間がかかり、労働集約的です。つまり、多くの場合、コストが航空宇宙産業に限定されます。

マンドレル ラッピング:

この繊維強化プラスチックの成形プロセスでは、プリプレグ材料のシートがスチールまたはアルミニウムのマンドレルに巻き付けられます。このプリプレグ素材は、ポリプロピレンのセロテープまたはナイロンで圧縮されています。部品は、真空バッグに入れてオーブンに吊るすことでバッチ硬化されます。硬化後、セロテープとマンドレルを取り除き、中空のカーボンテープを残します。これにより、強力で堅牢な中空カーボン チューブを作成できます。

ウェット レイアップ:

この成形プロセスでは、繊維強化材とマトリックスを成形ツールに配置する際に組み合わせます。強化繊維の層を開いた型に入れ、それを生地の上に流し込み、生地に加工することで湿った樹脂で飽和させます。樹脂が硬化するまで、通常は室温で型をしばらく放置します。ただし、適切に硬化させるために熱を使用することもあります。真空バッグは、ウェット レイアップを圧縮するために使用されます。ガラス繊維はこのプロセスで最も一般的であり、その結果はガラス繊維として知られています。スキー、カヌー、サーフボードなどの製品の製造に使用されます。

レジン トランスファー成形:

この繊維強化プラスチックの成形プロセスは、樹脂注入とも呼ばれます。生地を型に入れ、湿った樹脂を注入します。レジン トランスファー成形では、通常、レジンは加圧され、真空下にあるキャビティに押し込まれます。真空アシスト樹脂トランスファー成形では、真空下で樹脂が完全にキャビティ内に引き込まれます。このプロセスにより、正確な公差と詳細な成形が保証されます。ただし、ファブリックを完全に飽和させることができず、最終的な形状に斑点が生じることがあります.

フィラメント巻き:

このプロセスでは、樹脂の湿った浴を通して繊維束を引っ張り、特定の方向に回転するスチール マンドレルに巻き取る機械があります。部品は室温または高温で硬化します。マンドレルが取り出され、最終的な幾何学的形状が残りますが、場合によっては残されます。

引抜成形:

繊維束とスリット生地は、樹脂の湿った浴を通して引っ張られ、粗い部分の形状が形成されます。飽和した材料は、加熱された閉じたダイから押し出され、ダイから連続的に引っ張られながら硬化します。引抜成形のほとんどの最終製品は、構造形状、つまり I ビーム、アングル、チャネル、およびフラット シートです。この材料を使用して、はしご、手すりシステムのタンク、プラットフォーム、パイプ、ポンプ サポートなど、あらゆる種類のグラスファイバー構造を作成できます。

チョッパーガン:

グラスファイバーの連続ストランドは、ストランドを細断し、ポリエステルなどの触媒樹脂と結合するハンドヘルド ガンに押し込まれます。含浸された刻んだガラスは、適切な厚さと人間のオペレーターが正しいと考えるデザインで金型の表面に射出されます。チョッパー ガン プロセスは、経済的なコストで大量生産するのに理想的ですが、他の成形プロセスよりも強度が低く、寸法公差が小さい幾何学的形状を生成します。

繊維強化プラスチックの長所と短所

利点:

以下は、さまざまな用途における繊維強化プラスチックの利点です。

• FRP は強度が高い
• 弾性率が高い
• 軽量です
• 疲労破壊に対する高い耐性は、もう 1 つの優れた利点です。
• 耐食性に優れています。
• 剛性は FRP のもう 1 つの大きな利点です。木材の最大 3.3 倍の剛性があり、作業負荷の下で永久に変形することはありません。
• 腐敗や虫に対する耐性
• 繊維強化プラスチックの最終製品は魅力的であるため、塗料、ステイン、コーティングを必要としない場合があります。
• 製造および設計プロセスにおける柔軟性
• FRP は熱伝導率が低く、優れた断熱材です。
• ガラス繊維タイプの FRP は弾力性があります。つまり、素材は硬い仕上がりになっています。
• ステンレス鋼は繊維強化プラスチックよりも初期材料費が低くても、FRP のメンテナンスと設置は低コストです。

短所:

繊維強化プラスチックには大きな利点がありますが、それでもいくつかの制限があります。以下はFRPのデメリットです。

• 繊維に垂直な方向の強度は、繊維の長さに沿った強度と比較して非常に低い (最大 5%)。
• マテリアル デザインは複雑になる場合があります
• FRP コンポーネントのテストと製造は高度に専門化されています。

結論

この記事では、繊維強化プラスチック、その定義、用途、複合材コンポーネント、および材料要件について学びました。また、繊維強化プラスチックのさまざまな種類、成形プロセス、長所と短所についても説明しました。

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