カーボンファイバー織り: その概要とそれを使用する理由

あるカーボンファイバーがなぜ他のものと見た目が違う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、それぞれに異なる目的があり、単なる装飾ではありません。

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、加熱して引き伸ばした後、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束ねられてトウを形成し、トウは含まれるカーボン フィラメントの数によって識別されます。 一般的な牽引クラスは 3k、6k、12k、15k です。 「k」は千を意味するため、3k トウは 3,000 個の炭素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、小さなスペースに多く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,{{16 }} カーボン フィラメントなど。カーボン ファイバーは、高強度の繊維が束ねられて非常に強力な素材となります。

炭素繊維織物
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。 その結果、カーボンファイバー生地にはさまざまな織り方があります。 最も一般的なのは無地、ツイル、リボン サテンで、それぞれについて詳しく見ていきます。

平織り
平織りカーボンファイバーパネルは左右対称で、小さな市松模様のように見えます。 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。 平織りは織り間の間隔が短いため、高度な安定性が得られます。 生地の安定性とは、織り角度と繊維の配向を維持する生地の能力です。 この高いレベルの安定性のため、平織りは複雑な輪郭のレイアップにはあまり適しておらず、他の織りほど柔軟性がありません。 一般に、平織りは平板、パイプ、2次元曲線に適しています。

この織りパターンの欠点の 1 つは、織り間の距離が短いため、トウのクリンプ (織りの際に繊維が作る角度、以下を参照) が粗くなることです。 粗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。 ツイルは複雑な輪郭を形成するのに十分な柔軟性があり、サドル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。 ツイルのトウをたどる場合、一定の数のトウを通過した後、同じ数のトウを通過します。 上下のパターンは、「対角線」として知られる斜めの矢じりの外観を作成します。 トウの織り合わせ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生地です。 多くの化粧品や装飾用途に使用されていますが、機能性も高く、適度な成形性と適度な安定性を兼ね備えています。 2×2の名前が示すように、各トウは2本のトウを通過し、さらに2本のトウを通過します。 同様に、4×4 ツイルは 4 つのトウを通過し、さらに 4 つのトウを通過します。 織りが 2×2 ツイルほどきつくないため、2×2 ツイルよりも若干成形しやすいですが、安定性も劣ります。

ハーネスサテン織り
サテン織りは、滑らかで継ぎ目のない見た目でありながら、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。 この生地は成形性が高いため、安定性が低いことが予想されます。 一般的な織り方は、4 織り (4HS)、5 織り (5HS)、および 8 織り (8HS) です。 サテン織りの数が増えると、成形性は向上しますが、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、通過したトウの総数を示します。 4HSの場合は3トウ以上、1トウ以下となります。 5HS の場合は 4 トウを超えて 1 トウ未満、8HS の場合は 7 トウを超えて 1 トウ未満になります。

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的な織物素材の使用との間の適切な妥協点となります。 繊維のトウを上下に織り込んで生地を形成すると、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、トウが大きくなり (太くなり)、クリンプ角が鋭くなります。 これを回避する 1 つの方法は、フィラメントをスプレッドトウと呼ばれる幅の広いトウに広げることです。これにはいくつかの利点があります。

スプレッドトウは標準のトウブレード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交差欠陥を減らすことができます。 クリンプアングルが小さいほど、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、繊維の引き込みをかなり防止します。

スプレッドプレーントウ

スプレッドトウツイル織り
一方向
ユニとはその名の通り、1つを意味し、すべての繊維が同じ方向を向いています。 これにより、一方向 (UD) ファブリックに高強度の利点がいくつか提供されます。 UD ファブリックは織られておらず、構造を弱める原因となる縮れ織り込まれた繊維がありません。 代わりに、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詳細に制御してスタックアップをカスタマイズできることです。 自転車のフレームは、UD 生地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が硬い必要がありますが、ライダーを圧倒しないように柔軟性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、必要な強度を実現できます。

UD の主な欠点はその操作性です。 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、レイアップ中に簡単にバラバラになります。 ファイバーが正しく配置されていない場合、再び正しい方向に戻すことはほぼ不可能です。 UD ファブリックから作られた機械加工部品も問題を引き起こす可能性があります。 フィーチャーが切断された場所で繊維が引き上げられている場合、それらの緩んだ繊維はパーツ全体にわたって引き上げられます。 通常、レイアップに UD 材料が選択された場合、加工性と部品の耐久性を向上させるために、最初と最後の層に織物材料の層が使用されます。 これは、趣味のドローンフレームがロケット部品の製造に至るまで一貫して行っていることです。