炭素繊維織物の説明:種類、用途、利点

あるカーボン ファイバーが他のカーボン ファイバーとなぜ異なって見えるのか疑問に思ったことがあるのは、あなただけではありません。カーボンファイバーにはさまざまな織り方があり、それぞれが異なる目的を果たし、単なる見た目の美しさだけではありません。

炭素繊維は、ポリアクリロニトリル (PAN) やレーヨンなどの前駆体から作られます。前駆体繊維を化学処理し、加熱して延伸し、炭化して高強度繊維を作成します。これらの繊維、つまりフィラメントはトウに束ねられ、含まれるカーボン フィラメントの数によって識別されます。一般的な牽引定格は 3k、6k、12k、15k です。 「k」は1,000を意味するため、3kトウは3,000本のカーボンフィラメントでできています。標準的な 3k トウの幅は通常 0.125 インチなので、小さなスペースに大量の繊維が詰め込まれています。6k トウには 6,000 個のカーボン フィラメントがあり、12k トウには 12,000 個のフィラメントが含まれます。このように多数の高強度繊維が束ねられているため、カーボン ファイバーは非常に強力な素材になります。

ウーブンカーボンファイバー

カーボンファイバーは通常、織布の形で提供されるため、加工が容易になり、用途に応じて構造強度を高めることができます。このため、カーボンファイバーファブリックにはさまざまな織り方が使用されています。最も一般的なのはプレーン、ツイル、ハーネス サテンで、それぞれについて詳しく説明します。

平織り

平織りカーボンファイバーシートは、小さな市松模様の外観で左右対称に見えます。この織り方では、トウは上下のパターンで織り込まれます。平織りは織り目の間隔が短いため、高い安定性が得られます。生地の安定性とは、生地がその織り角度と繊維の方向を維持する能力です。  この高いレベルの安定性のため、プレーンは複雑な輪郭を持つレイアップにはあまり適しておらず、他の織りほど柔軟ではありません。一般に、平織り生地は平らなシート、チューブ、2D 曲線に適しています。

この織りパターンの欠点の 1 つは、織り交ぜ間の距離が短いため、トウのクリンプ (織るときに繊維が作る角度、以下を参照) が激しくなることです。厳しい圧着により応力集中が生じ、時間の経過とともに部品が弱くなる可能性があります。

ツイル織り

ツイルは、平織りと次に説明するサテン織りの間の橋渡しとして機能します。ツイルは柔軟性が高く、複雑な輪郭を形成することができ、ハーネスサテン織りよりも生地の安定性を維持するのに優れていますが、平織りほどではありません。ツイル織りでトウストランドをたどる場合、トウストランドは設定された数のトウの上を通過し、次に同じ数のトウの下を通過します。オーバー/アンダー パターンは、「ツイル ライン」として知られる斜めの矢じりの外観を作り出します。 2本の交絡レース間の距離が長いということは、平織りと比較してクリンプが少なく、潜在的な応力集中が少ないことを意味します。

2×2 ツイル

4×4 ツイル

2×2 ツイルは、おそらく業界で最もよく知られている炭素繊維織りです。多くの化粧品や装飾用途に使用されていますが、機能性も優れており、適度な成形性と適度な安定性を兼ね備えています。 2×2 という名前が示すように、各トウは 2 本のトウの上を通過し、次に 2 本のトウの下を通過します。同様に、4×4 ツイルは 4 本のトウを通過し、次に 4 本のトウの下を通過します。織りが 2×2 ツイルほどきつくないため、成形性は 2×2 ツイルよりわずかに優れていますが、安定性も低くなります。

ハーネスサテン織り

サテン織りは、滑らかでシームレスに見えると同時に、優れたドレープ性を備えたシルク生地を作るために数千年前に考案されました。複合材料の場合、このドレープ性は、複雑な輪郭を簡単に形成して包み込むことができることを意味します。この生地は非常に成形しやすいため、予想通り安定性が低くなります。一般的なハーネス サテンの織り方は、4 ハーネス サテン (4HS)、5 ハーネス サテン (5HS)、8 ハーネス サテン (8HS) です。サテン織りの数を増やすと、成形性が向上しますが、生地の安定性は低下します。

4HS

5HS

8HS

ハーネスサテン名の数字は、上と下を通過するトウの合計数を示します。 4HS の場合、3 つのトウを通過してから 1 の下を通過します。5HS の場合、4 の上を通過してから 1 の下を通過します。8HS では、7 の上を通過して 1 の下を通過します。

スプレッドトウとスタンダードトウ

スプレッドトウ素材は、一方向素材の使用と標準の織物素材の使用の適切な妥協点となります。繊維のトウが上下に織り込まれて生地が形成されると、トウのクリンプにより強度が低下します。標準的なトウのフィラメントの数を増やすと、たとえば 3k から 6k に、トウは大きくなり (太くなり)、クリンプ角度はより厳しくなります。これを回避する 1 つの方法は、フィラメントをより広いトウに広げることです。これはスプレッドトウと呼ばれ、これを行うことで得られる利点がいくつかあります。

スプレッドトウは、標準的なトウ織りよりも小さなクリンプ角を提供し、平滑性を高めることでクロスオーバー欠陥を減らすことができます。クリンプアングルが低いほど強度が高くなります。スプレッドトウ素材は、一方向素材よりも扱いやすく、繊維の引き込みを適度に防止します。

スプレッドトウ平織り

スプレッドトウツイル織り

一方向

1つを意味するユニという名前が示すように、すべての繊維が同じ方向に向いています。これにより、一方向 (UD) ファブリックに高強度の利点が与えられます。 UD ファブリックは織られていないため、構造を弱める可能性のあるクリンプのある繊維が絡み合っていません。むしろ、強度と剛性を高める連続繊維があります。もう 1 つの利点は、パフォーマンス特性をより適切に制御してレイアップを調整できることです。自転車のフレームは、UD ファブリックを使用してパフォーマンスを調整する方法の好例です。ライダーの力をホイールに伝えるために、フレームはボトムブラケット領域で硬く剛性が高くなければなりませんが、ライダーを打ち負かさないようにフレームにはある程度のコンプライアンスと柔軟性も必要です。 UD 素材を使用すると、繊維の正確な方向を選択して必要な強度を得ることができます。

しかし、UD の大きな欠点の 1 つは、その作業性です。 UD には、それを保持するための絡み合った繊維がないため、レイアッププロセス中に非常に簡単にバラバラになる傾向があります。ファイバーが正しく配置されていない場合、ファイバーの向きをすべて再度正しく再設定することはほぼ不可能です。 UD ファブリックで作られた部品の機械加工でも問題が発生する可能性があります。フィーチャーが切断された場所に繊維の引っ張りがある場合、それらの緩んだ繊維がパーツ全体にわたって引っ張られる可能性があります。通常、レイアップに UD 材料が選択された場合、機械加工性と部品の耐久性を高めるために、最初と最後の層に織物材料の層が使用されます。これは、趣味のドローンのフレームから量産ロケットの部品に至るまで、一貫して行われています。この投稿を気に入っていただけた場合、または他にご質問がある場合は、以下にコメントを残してください。   出典および参考サイト:https://store.acpsales.com/products/3495/went-fabric-style-guide