カーボンファイバーとメタルの違い。

数ある材料の中でも、比強度、比剛性、耐食性、耐疲労性に優れた炭素繊維複合材料（CFRP）が注目を集めています。

炭素繊維複合材と金属材料の異なる特性は、エンジニアにさまざまな設計アイデアを提供します。

以下に、炭素繊維複合材と従来の金属の特性と違いを簡単に比較します。

1. 比剛性と比強度

炭素繊維材料は、金属材料に比べて軽量であり、比強度、比剛性が高い。樹脂系炭素繊維の弾性率はアルミニウム合金よりも高く、樹脂系炭素繊維の強度はアルミニウム合金よりもはるかに高い。

2. デザイン性

通常、金属材料はすべて同性であり、収量または条件付き収量現象が発生します。そして単層カーボンファイバーは明確な方向性を持っています。

繊維方向に沿った機械的特性は、垂直繊維方向に沿った機械的特性および縦方向および横方向のせん断特性よりも 1 ～ 2 桁高く、破壊前の応力-ひずみ曲線は線形弾性を示します。

したがって、炭素繊維材料は積層板理論により単層の積層角度、積層比率、積層順序を選択することができる。従来の金属材料では厚くすることしかできませんでしたが、荷重分布の特性に応じて剛性と強度性能を設計によって得ることができます。

同時に、必要な面内の剛性と強度、および独自の面内および面外のカップリング剛性を得ることができます。

3. 耐食性

炭素繊維材料は金属材料と比較して、耐酸性、耐アルカリ性に優れています。炭素繊維は、2000〜3000℃の高温で黒鉛化することによって形成される黒鉛結晶に似た微結晶構造であり、50％までの塩酸、硫酸、リン酸、弾性率、中程度の腐食に対する高い耐性を備えています。強度、直径は基本的に変わりません。

したがって、強化材としては炭素繊維でも十分な耐食性が保証されていますが、マトリックス樹脂が異なれば耐食性も異なります。

一般的な炭素繊維強化エポキシと同様に、エポキシは耐候性に優れ、強度も十分に維持します。

4. 抗疲労

圧縮ひずみと高いひずみレベルは、炭素繊維複合材料の疲労特性に影響を与える主な要因です。疲労特性は通常、加圧疲労試験（R=10）と引張疲労試験（r=-1）が行われ、金属材料の場合は加圧疲労試験（R=0.1）が行われます。金属部品、特にアルミニウム合金部品と比較して、炭素繊維部品は疲労特性に優れています。自動車のシャーシなどの分野では、炭素繊維複合材の方が優れた応用利点を持っています。同時に、カーボンファイバーのノッチ効果はほとんどありません。ノッチ付きテストの SN 曲線は、ほとんどの炭素繊維積層板の寿命全体にわたってノッチなしテストの SN 曲線と同じです。

5. 回復性

現在、成熟した炭素繊維マトリックスは熱硬化性樹脂でできており、硬化および架橋後に抽出して再利用することは困難です。したがって、炭素繊維の回収の困難さは産業発展のボトルネックの一つであり、大規模応用のためには早急に解決しなければならない技術的課題でもある。現在、国内外のリサイクル方法はコストが高く、工業化が難しいものがほとんどです。Walter 炭素繊維はリサイクル可能なソリューションを積極的に模索しており、多数の試作サンプルを完成させており、回収効果は良好で、量産条件も整っています。

結論

従来の金属材料と比較して、炭素繊維材料は機械的特性、軽量性、デザイン性、耐疲労性の点で独特の利点を持っています。しかし、その生産効率と回収の難しさが、さらなる応用のボトルネックとなっています。技術やプロセスの革新に伴い、炭素繊維の利用は今後ますます増えると考えられます。