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、加熱して延伸し、炭化して高強度繊維を形成します。 これらの繊維またはフィラメントは束ねられ、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、および 15k です。 「k」は千を表すため、3k トウは 3,000 個の炭素フィラメントから作られます。 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 個のカーボン フィラメントが含まれます。 炭素繊維は高強度の繊維が大量に束ねられているため、非常に強力な素材となります。

カーボンファイバー織り
カーボンファイバーは織布の形で提供されることが多いため、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。 したがって、炭素繊維織物はさまざまな方法で織ることができます。 最も一般的なのは無地、ツイル、サスペンダーサテンであり、それぞれの素材について詳しく説明します。

平織り
プレーンカーボンファイバーシートは、小さな市松模様の外観を持つ対称的な外観を持っています。 この織り方では、ストランドが上下のパターンで織り込まれます。 織り間の距離が短いため、平織りに高度な安定性が与えられます。 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を指します。 この高いレベルの安定性のため、平織り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、他の一部の生地ほど柔軟性もありません。 一般的に平織り生地は、平面シートやパイプ、二次元曲線などに適しています。

この織りパターンの欠点の 1 つは、織り合わせ間の距離 (織り込むときに繊維が形成する角度、以下を参照) が短いため、ストランドに激しいカールが発生することです。 激しい圧着は応力集中を引き起こし、時間の経過とともに部品を弱めます。

ツイル織り
ツイルは、次に説明する平織りとサテン織りの間の橋です。 ツイル生地は柔軟性に優れ、複雑な輪郭を形成することができます。 生地の安定性を維持する点ではサスペンダーサテン生地より劣りますが、平織り生地ほどではありません。 綾織りでトウのストランドをたどる場合、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。 上下の模様が斜めの矢印のように見える「ツイルライン」と呼ばれます。 絡み合ったトウ間の距離が長いため、平織り生地と比較してカールが少なく、潜在的な応力集中が少なくなります。

2×2ツイル生地

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、機能性も高く、中程度の成形性と中程度の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 つのトウを通過し、その後両方のトウを交差します。 同様に、4×4 ツイルは 4 本のトウに通され、さらに 4 本のトウに通されます。 織りが 2×2 ツイルほどきつくないため、形状は 2×2 ツイルよりわずかに優れていますが、安定性も劣ります。

ハーネスサテン
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巻き付ける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。 一般的な綜絖サテン織りには、4-綜絖サテン（4HS）、5-綜絖サテン（5HS）、8-綜絖サテン（8HS）などがあります。 サテン織りの量が増えると、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、通過するトウの総数を示します。 4HS の場合、3 つのトウを通過し、その後 1 つのトウを通過します。 5HS の場合は 4 つのトウを通過してから 1 つのトウを通過し、8HS の場合は 7 つのトウを通過してから 1 つのトウを通過します。

スプレッドトウと標準トウの比較
スプレッドトウ素材は、一方向素材の使用と標準的な編組素材の使用との間の適切な妥協点となります。 繊維ストランドを上下に織り込んで生地を形成すると、ストランド内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 (太くなり)、カール角度はより粗くなります。 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。これはトウを広げると呼ばれ、これを行うことにはいくつかの利点があります。

トウを広げると、標準的なトウを編むよりもカール角度が小さくなり、平滑性が高まるため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。

平織りトウを展開する

スプレッドトウツイル織り

一方向
一つを意味する「ユニ」という名前の通り、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。 対照的に、連続繊維は強度と剛性を高めます。 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レイ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のボトムブラケット部分は硬くなければなりませんが、ライダーの怪我を避けるためにフレームには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、必要な強度を得ることができます。

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織り込まれた繊維がないため、レイアップ中に簡単にバラバラになってしまいます。 ファイバーが正しく配置されていない場合、ファイバーを再び正しくリダイレ​​クトする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っ張られると、それらの緩んだ繊維が部品全体を引っ張り上げる可能性があります。 通常、ラミネート用に UD 材料が選択された場合、作業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、愛好家向けのドローンのフレームからロケットの製造部品に至るまで行われます。