過去半世紀にわたり、繊維強化複合材料はその優れた特性のために広く使用されてきました。繊維強化複合材料の重要な役割は自明です。 複合材料の登場以来、強化繊維は天然繊維から合成繊維へと変化してきました。
現在、最も一般的な強化繊維には、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維などがあります。このペーパーでは、最初に一般的な強化繊維の種類を簡単に紹介します。
複合材料では、樹脂マトリックスの主な役割は、繊維を結合し、外部荷重を 1 つの繊維から次の繊維に伝達することです。 ほとんどの強化繊維は曲がってフワフワしており、張力がかかると十分な引張強度と剛性が得られます。
強化繊維は通常束になっており、個々の繊維はガラス繊維や炭素繊維のように非常に細い傾向があり、典型的な直径範囲は 5 ～ 25 ミクロンです。 比較のために、人間の髪の毛は通常、直径が 50 ～ 200 ミクロンです。 すべての繊維強化「構造」は、トウ、ヤーン、チョップド ファイバー、ミルド ファイバーなどを含むフィラメント繊維から得ることができます。
一般的な強化繊維には、ガラス繊維と炭素繊維が含まれます。
1.グラスファイバー
グラスファイバーにはさまざまな種類がありますが、複合材の場合、最も一般的なのは 2 つです。 E ガラス繊維は、ほぼすべてのガラス繊維強化製品の標準タイプですが、S ガラス繊維 (R ガラスまたは T ガラス繊維とも呼ばれます) は、引張強度が大幅に優れています。
通常、S ガラス繊維は E ガラス繊維よりも小さく、樹脂マトリックスへの接着性が高く、衝撃性能が向上します。 しかし、それにはもっと多くの費用がかかります。 S-2 ガラス繊維は、より強度の高い市販の S ガラス繊維であり、典型的な E ガラス繊維の 2 倍の引張強度を持ち、剛性も約 10-20 パーセント高くなります。 しかし、ほとんどすべてのアプリケーションでは、E ガラス繊維で十分です。
ガラス繊維は、溶融した (1700 度) 鉱物製品 (シリカ、アルミニウム、酸化カルシウムなど) を小径の穴から押し出すことによって作られます。 通常、E ガラス繊維の直径は約 10-25 ミクロンであり、炭素繊維よりも大きくなります。
2.炭素繊維
炭素繊維にはさまざまな種類があり、機械的特性とコストもさまざまです。 炭素繊維は、溶融材料から直接押し出されるのではなく、空気雰囲気での予備酸化および不活性雰囲気での炭化を含む、前駆体繊維の熱処理によって作られます。 張力がかかると、繊維内のカーボン構造が整列し、引張強度と剛性を最大化します。
炭素繊維に使用される最も一般的な前駆体は、ポリアクリロニトリル (PAN) 繊維です。 現在、最も一般的な標準および中弾性率の炭素繊維は、PAN 前駆体に基づいています。 アスファルト前駆体システムによって調製された炭素繊維の弾性率は、通常、より高くなります。 前駆体の特性、繊維の直径、および熱処理 (酸化、炭化、黒鉛化) プロセスの詳細に応じて、得られる炭素繊維は幅広い機械的特性を備えています。
通常、単一の炭素繊維はガラス繊維よりも小さく、直径はわずか 5 ミクロンです。 モジュラス モジュラス モジュラス 炭素繊維は、多くの場合、標準モジュラスと中間モジュラス、特にモジュラスで分類されます。 IM)、高弾性率 (HM)、および超高弾性率炭素繊維。
3.その他一般的に使用される強化繊維
ケブラー アラミド繊維:
デュポン社が開発した合成アラミド繊維。 その他の市販のアラミド繊維には、トワロン、テクノーラ、ノーメックスなどがあります。 複合材料の強化繊維として、アラミド繊維は主に引張強度が高く、突き刺し、摩耗、破断に対する耐性が高い用途に使用されます。 アラミド繊維は、接着、切断、取り扱いが難しいことが多く、炭素繊維やガラス繊維と組み合わせて使用されることがよくあります。
玄武岩繊維:
ガラス繊維と同様の溶融および押出プロセスを使用して作られています。 その引張強度と弾性率は、E ガラス繊維よりもわずかに高く、炭素繊維よりも低くなります。 密度はEグラスファイバーと同様です。 価格はEグラスファイバーとカーボンファイバーの間です。 複合グレードの玄武岩の供給は限られており、通常は茶色です。
超高分子量ポリエチレン：
Dyneema と Spectra はどちらも、超高分子量ポリエチレン (UHMWPE) または高弾性率ポリエチレン (HMPE) 押出フィラメントから作られた繊維です。繊維は複合用途に使用でき、多くの場合、炭素繊維と混合されます. ダイニーマ/炭素繊維ハイブリッド補強は、ラミネートの靭性、エネルギー吸収、および炭素繊維の耐衝撃性を向上させることができます. スペクトルファブリックは、耐摩耗性を高めるために局所的に適用することができます.
高分子量ポリプロピレン:
Innegra は、Innegra Technologies が高分子量ポリプロピレン (HMPP) から製造した繊維です。 Kevlar や Dyneema ほど強くはありませんが、Innegra は丈夫で衝撃や破損に強く、低コストです。 多くの場合、Innegra はハイブリッド強化材料のコンポーネントとして使用され、ラミネートの靭性を高めるために炭素繊維またはガラス繊維と混合されます。
植物繊維:
ガラス繊維と炭素繊維が最も一般的な強化繊維ですが、最も古い構造強化繊維は木材と植物繊維です。 過去 10 年間で、有用な機械的特性を提供し、標準的な繊維タイプと同様の処理を提供する、ラミネート植物繊維、特に亜麻とジュートへの関心が復活しました。 植物繊維が直面する課題の 1 つは、従来の加工材料よりもはるかに広い範囲の機械的特性であり、通常の E ガラス繊維ほど強力ではありません。 吸湿は、すべてのバイオベースの複合強化材料にとって問題であり、多くの複合プロセスで問題を引き起こす可能性があります。
セラミック繊維:
セラミック マトリックス複合材 (CMC) は、炭素繊維複合材と同様の機械的特性を備えていますが、非常に高い耐熱性を備えています。 それらは通常、化学組成に応じて、酸化物繊維と非酸化物繊維によって分解されます。 非酸化物側では、ホウ素は信じられないほどの圧縮強度を持つ最も有名なセラミック強化材料の 1 つです。 炭化ケイ素 (SiC) 繊維は、強度と剛性が高く、非常に硬いです。 酸化物ベースの繊維は、耐酸化性が高くなりますが、機械的特性は低くなります。
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