カーボンファイバー織りの種類・用途・メリットを徹底解説

なぜあるカーボンファイバーが別のカーボンファイバーと見た目が違うのか、疑問に思ったことはありませんか？あなただけではありません。カーボンファイバーには多くの異なる織りがあり、それぞれ異なる目的を持ち、単なる見た目の違いではありません。

カーボンファイバーは、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。前駆体繊維は化学処理、加熱、伸張、炭化を経て高強度繊維になります。これらの繊維、またはフィラメントは、含有するカーボンフィラメント数で識別されるトウ（束）に束ねられます。一般的なトウ規格は3k、6k、12k、15kです。「k」は千を意味し、3kトウは3,000本のカーボンフィラメントで構成されます。標準的な3kトウの幅は通常0.125インチ（約3.175mm）で、非常に多くの繊維が小さな空間に詰まっています。6kトウは6,000本、12kは12,000本、という具合です。この大量の高強度フィラメントが束ねられていることが、カーボンファイバーを非常に強い材料にしています。

織布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、扱いやすく、用途によっては構造的強度を追加できます。そのため、カーボンファイバー生地には多くの異なる織りが使用されます。最も一般的なのは平織り、綾織り、ハーネスサテンで、それぞれ詳しく説明します。

平織り

平織りカーボンファイバーシートは、小さなチェッカーボード風の外観で対称的に見えます。この織りでは、トウが上下交互に織り込まれます。インターレース（交差）間の短いスペースにより、平織りは高い安定性を持ちます。生地の安定性とは、織り角度と繊維配向を維持する能力です。この高い安定性のため、平織りは複雑な輪郭を持つ積層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。一般的に、平織り生地は平板、チューブ、2D曲面に適しています。

この織りパターンの欠点の一つは、インターレース間の距離が短いため、トウに厳しいクリンプ（織りによる繊維の角度、下図参照）が生じることです。厳しいクリンプは応力集中を生み、時間とともに部品を弱める可能性があります。

綾織り

綾織りは、平織りとこれから説明するサテン織りの橋渡し的存在です。綾織りは良好な成形性を持ち、複雑な輪郭に成形でき、ハーネスサテン織りより安定性が高いですが、平織りほどではありません。綾織りのトウを追跡すると、一定数のトウを上に通し、同じ数を下に通します。この上下パターンが斜めの矢印のような外観、いわゆる「綾目」を作ります。トウのインターレース間距離が長いため、平織りよりクリンプが少なく、応力集中の可能性も低減されます。

2×2綾織り

4×4綾織り

2×2綾織りは、業界で最も認知されているカーボンファイバー織りの一つです。化粧・装飾用途に多用されますが、優れた機能性も備え、中程度の成形性と中程度の安定性を両立します。名前が示す通り、各トウは2本のトウを上に通し、2本を下に通します。同様に、4×4綾織りは4本上、4本下です。織りが緩いため2×2よりわずかに成形性が高いですが、安定性は低下します。

ハーネスサテン織り

サテン織りは数千年前、優れたドレープ性を持つ滑らかでシームレスな絹織物を作るために考案されました。複合材料では、このドレープ性が複雑な輪郭への容易な成形と巻き付けを意味します。生地が非常に成形しやすいため、予想通り安定性は低くなります。一般的なハーネスサテン織りは、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。サテン織りの番号が増えるにつれ、成形性は向上し、生地安定性は低下します。

4HS

5HS

8HS

ハーネスサテンの名称の数字は、上に通して下に通すトウの総数を示します。4HSでは3本上、1本下。5HSでは4本上、1本下。8HSでは7本上、1本下です。

スプレッドトウと標準トウ

スプレッドトウ材料は、単方向材料と標準織布材料の間の良い妥協点となり得ます。繊維トウが上下に織り込まれて生地を作るとき、トウのクリンプにより強度が低下します。標準トウでフィラメント数を増やす（3kから6kなど）と、トウが太くなり、クリンプ角度が厳しくなります。これを避ける方法の一つは、フィラメントを広いトウに広げることで、これをスプレッドトウと呼び、これにはいくつかのメリットがあります。

スプレッドトウは、標準トウ織りより小さなクリンプ角度を提供し、滑らかさを増すことでクロスオーバー欠陥を減らせます。クリンプ角度の低減は高強度につながります。スプレッドトウ材料は単方向材料より扱いやすく、依然として合理的な繊維浮き上がり防止効果があります。

スプレッドトウ平織り

スプレッドトウ綾織り

単方向（UD）

名前が示す通り、「uni（一つ）」、すべての繊維が同じ方向に配向しています。これにより、単方向（UD）生地には高強度のメリットがあります。UD生地は織られておらず、構造を弱めるクリンプを伴うインターレース繊維がありません。代わりに、連続繊維が強度と剛性を高めます。もう一つのメリットは、性能特性をより細かく制御して積層を調整できることです。自転車フレームは、UD生地で性能を調整する好例です。フレームはボトムブラケット付近で剛性が高く、ライダーのパワーを車輪に伝える必要がありますが、同時にライダーを疲れさせないよう、ある程度のコンプライアンスとフレックスも必要です。UD材料なら、必要な強度を得るために繊維の正確な方向を選べます。

UDの大きな欠点の一つは作業性です。インターレース繊維がないため、積層プロセスでUDは非常に崩れやすくなります。繊維が間違って配置されると、すべてを正しく再配向するのはほぼ不可能です。UD生地で作られた部品の機械加工も問題を引き起こす可能性があります。切削箇所で繊維浮き上がりがあれば、それらの遊離繊維が部品全体にわたって引き抜かれることがあります。通常、UD材料を積層に選ぶ場合、最初と最後の層に織布材料を使用して、機械加工性と部品耐久性を支援します。これはホビードローンフレームからロケット量産部品まで共通しています。この記事をお楽しみいただけたり、ご質問があれば、下のコメント欄にお寄せください。出典・参考サイト：https://store.acpsales.com/products/3495/woven-fabric-style-guide