非常に異なる材料
複合材料は従来の材料とは異なり、複合部品には繊維とマトリックス材料 (最も一般的にはポリマー樹脂) という 2 つの異なる成分が含まれており、これらは組み合わせると分離したままですが、相互作用して新しい材料を形成します。コンポーネント。
実際、繊維/樹脂の組み合わせの主な利点の 1 つは、その補完性です。 例えば、細いガラス繊維は引張強度が比較的高いが、損傷しやすい。 対照的に、ほとんどのポリマー樹脂は引張強度が弱いですが、非常に強靭で展性があります。 しかし、繊維と樹脂を組み合わせると、互いの弱点を補うことができ、個々のコンポーネントよりもはるかに有用な素材が生まれます。
複合材料の構造特性は、主に繊維強化に由来します。 自動車部品、船舶、消費財、耐腐食性工業部品など、大規模な市場向けの商用複合材料は、通常、不連続でランダムに配向されたガラス繊維または連続しているが配向されていない繊維フォームから作られています。
もともと軍用航空宇宙市場向けに開発された高度な複合材料は、従来の構造用金属よりも優れた性能を発揮し、現在では通信衛星、航空機、スポーツ用品、輸送、重工業、および石油とガスの探査や風力タービン建設のエネルギー部門で使用されています。
高性能複合材料は、機械加工性を改善し、機械的特性を強化するマトリックス内の、連続した、配向した、高強度の繊維強化材料 --、最も一般的には炭素繊維、アリールポリアミド繊維、またはガラス繊維 -- から構造特性を引き出します。剛性や耐薬品性など。
繊維配向を制御できるため、あらゆる用途で性能を向上させることができます。 たとえば、複合ゴルフ クラブ シャフトでは、ホウ素繊維と炭素繊維が複合シャフト内でさまざまな角度に配向されており、強度と剛性の特性を最大限に活用し、トルク負荷や複数の曲げ、圧縮、引張力に耐えることができます。
グラスファイバー
複合産業で使用される繊維の大部分はガラスです。 グラスファイバーは、より重い金属部品を置き換えるために、ほとんどの最終市場アプリケーション (航空宇宙産業は重要な例外です) で使用される最も古く、最も一般的な強化材料です。
グラスファイバーは、2 番目に一般的な強化材であるカーボン ファイバーよりも重く、剛性が低くなりますが、耐衝撃性が高く、破断点での伸びが大きくなります (つまり、破断前に大幅に伸びます)。 ガラスの種類、フィラメントの直径、コーティングの化学的性質 (「サイジング」と呼ばれる)、および繊維の形状に応じて、幅広い特性と性能レベルを得ることができます。
ガラスフィラメントは、連続したガラスフィラメントの集合体であるストランドと呼ばれる束の形で供給されます。
ロービングは通常、大きなスプールに糸のように巻き付けられた撚りのないストランドの束です。 シングルエンド ロービングは、ストランドの長さを走る複数のガラス フィラメントの連続したストランドで構成されます。 マルチエンドロービングには、完全に連続していない長いストランドが含まれており、巻き取り中に千鳥配置で追加または削除されます。 糸は撚り合わされたストランドの集まりです。
高性能繊維
高性能用途で最も広く使用されている炭素繊維は、ポリアクリロニトリル (PAN)、レーヨン、アスファルトなど、さまざまな前駆体系から作られています。 前駆体繊維を化学処理し、加熱・延伸した後、炭化することで高強度繊維が得られます。 市場に出回った最初の高性能炭素繊維は、レーヨン前駆体から作られました。
今日、ポリアクリロニトリルとアスファルトベースの繊維は、ほとんどの用途で人工繊維に取って代わりました。 パンベースのカーボンファイバーは最も用途が広いです。 それらは、優れた強度と高い剛性を含む、驚くべき範囲の特性を提供します。 アスファルト繊維は、石油またはコール タール ビチューメンから作られ、高い剛性から非常に高い剛性を持ち、負の軸方向熱膨張係数 (CTE) まで低くなっています。 それらの CTE 特性は、電子機器のケーシングなど、熱管理を必要とする宇宙船の用途に特に役立ちます。
ガラス繊維やアラミド繊維よりも強度がありますが、炭素繊維は耐衝撃性に劣るだけでなく、金属と接触すると電解腐食を受けます。 メーカーは、ラミネート プロセス中にバリア材料またはベール層 (通常はグラスファイバー/エポキシ) を使用することで、後者の問題を克服しています。
高性能炭素繊維の基本的な繊維形態は、フィラメントバンドルと呼ばれる連続した繊維束です。 炭素繊維束は何千もの連続した無撚フィラメントで構成され、フィラメント数は数字の後に「K」を付けたもので表されます。これは、1 を掛けることを意味します000 (たとえば、12K はフィラメント数が12、000)。 束は、フィラメントワインディングやプルトルージョン成形などのプロセスで直接使用することも、一方向のリボン、ファブリック、その他の強化フォームに変換することもできます。
