ケブラー、カーボンファイバー、グラスファイバーの長所と短所

強化繊維素材のご紹介です。

ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維は現在広く使用されている補強材です。

強化繊維の材料特性 PK

1 引張強さ

引張強さは、材料が伸びる前に耐えることができる最大応力です。一部の非脆性材料は破壊する前に変形しますが、 Kevlar ® (アラミド) 繊維、 炭素繊維 と E-ガラス繊維 は脆く、わずかな変形で破損します。引張強さは、単位面積あたりの力 (Pa またはパスカル) として測定されます。

応力は力であり、ひずみは応力によるたわみです。以下の表は、一般的に使用される 3 つの強化繊維、カーボン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、エポキシ樹脂の引張強度の比較を示しています。これらの数値は比較のみを目的としており、製造プロセス、エポキシ樹脂の組成、アラミドの配合、炭素繊維の前駆体繊維などによって異なる可能性があり、MPa で表されることに注意してください。

 

2. 密度と強度重量比

3 つの素材の密度を比較すると、3 つの繊維間に大きな違いが見られます。まったく同じサイズと重量の 3 つのサンプルを作成すると、Kevlar® ファイバーがはるかに軽く、僅差で 2 番目にカーボンファイバーが続き、E グラスファイバーが最も重いことがすぐにわかります。したがって、同じ重量の複合材の場合、カーボンファイバーまたはケブラー® を使用すると、より高い強度が得られます。言い換えれば、一定の強度を必要とするカーボンファイバーまたは Kevlar® 複合材料で作られた構造は、ガラスファイバーで作られた構造よりも小さいか薄いということです。サンプルを作成してテストした後、ガラス繊維複合材料の重量は Kevlar® または炭素繊維積層板のほぼ 2 倍であることがわかります。これは、Kevlar® またはカーボンファイバーを使用することで大幅に重量を節約できることを意味します。この特性は強度対重量比と呼ばれます。

 

3. ヤング率 ヤング率

ヤング率は弾性材料の剛性の尺度であり、材料を説明する方法です。一軸（一方向）応力と一軸ひずみ（同じ方向の変形）の比として定義されます。ヤング率 = 応力/ひずみ。これは、ヤング率が高い材料はヤング率が低い材料よりも硬いことを意味します。

カーボンファイバー、Kevlar®、グラスファイバーの剛性は大きく異なります。カーボンファイバーはアラミドファイバーの約2倍、ガラスファイバーの約5倍の剛性を持っています。カーボンファイバーの優れた剛性の欠点は、脆くなる傾向があることです。失敗した場合、ひずみや変形があまり見られない傾向があります。

 

4. 可燃性と熱の説明

Kevlar® とカーボンファイバーは両方とも高温に耐性があり、どちらも融点を持ちません。どちらの素材も防護服や耐火生地に使用されています。ガラス繊維は最終的には溶けますが、高温にも非常に耐性があります。もちろん、建物に使用されるすりガラス繊維も耐火性を高めることができます。

カーボンファイバーとケブラー® は、消火用や溶接用の保護ブランケットや衣類の製造に使用されます。ケブラー手袋は、ナイフを使用するときに手を保護するために食肉産業でよく使用されます。繊維が単独で使用されることはほとんどないため、マトリックス (通常はエポキシ) の耐熱性も重要です。エポキシ樹脂は熱にさらされると急速に軟化します。

5. 電気伝導度、導電率

カーボンファイバーは電気を通しますが、ケブラー® とガラスファイバーは通電しません。ケブラー® は送電鉄塔内の電線の牽引に使用されます。電気を通さないが水を吸収し、水は電気を通します。したがって、このような用途ではケブラーに防水コーティングを施す必要があります。

カーボンファイバーは電気を通すことができるため、他の金属部品と接触するとガルバニックカップリングの腐食が問題になります。

6. 紫外線による劣化

アラミド繊維は太陽光や高紫外線環境では劣化します。カーボンファイバーやグラスファイバーは紫外線に対してあまり敏感ではありません。ただし、エポキシ樹脂などの一般的に使用されるマトリックスの一部は、日光にさらされると白くなり、強度が低下します。ポリエステルおよびビニルエステル樹脂は紫外線に対してより耐性がありますが、エポキシ樹脂よりは弱いです。

7. 耐疲労性

部品を繰り返し曲げたり伸ばしたりすると、最終的に疲労により破損します。カーボンファイバーは疲労にやや敏感で、致命的な故障を引き起こす傾向がありますが、Kevlar® は疲労に対してより耐性があります。グラスファイバーはその中間です。

8. 耐摩耗性

Kevlar® は耐摩耗性に優れているため、切断が困難です。 Kevlar® の一般的な用途の 1 つは、ガラスで手を切る可能性がある場所や鋭利な刃物が使用される場所の保護手袋として使用されます。カーボンファイバーやグラスファイバーは耐久性に劣ります。

 

9.耐薬品性 

アラミド繊維は強酸、アルカリ、および特定の酸化剤 (次亜塩素酸ナトリウムなど) に敏感であり、繊維の劣化を引き起こす可能性があります。一般的な塩素系漂白剤 (Clorox® など) および過酸化水素は Kevlar® では使用できません。酸素系漂白剤（過ホウ酸ナトリウムなど）は、アラミド繊維を損傷することなく使用できます。

カーボンファイバーは非常に安定しており、化学的劣化の影響を受けません。ただし、エポキシマトリックスは劣化します。

10. ボディ接着特性 

カーボンファイバー、ケブラー®、ガラスが最適に機能するためには、それらをマトリックス (通常はエポキシ樹脂) 内の所定の位置に保持する必要があります。したがって、エポキシ樹脂がさまざまな繊維に接着する能力は非常に重要です。

カーボン繊維とガラス繊維はどちらもエポキシに容易に接着しますが、アラミド繊維とエポキシの結合は期待されるほど強くなく、接着力が低下することで水が浸透してしまいます。その結果、アラミド繊維は水を吸収しやすく、エポキシへの望ましくない接着力と相まって、ケブラー® 複合材料の表面が損傷して水が浸入する可能性がある場合、ケブラー® が繊維に沿って水を吸収し、複合材料が弱くなる可能性があります。

11. 色と織り方

アラミドは自然な状態では明るい金色ですが、着色することができ、現在では多くの素敵な色合いがあります。グラスファイバーにはカラーバージョンもあります。カーボンファイバーは常に黒色であり、着色されたアラミドと混合することはできますが、それ自体を着色することはできません。

強化繊維の材料はどうやって選ぶのですか？

以上の11項目を比較して、3つの素材についての予備的な理解が得られました。

材料の具体的な選択は、満足のいく解決策に到達するための特定の用途と経済的考慮事項によって異なります。

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