複合材料に使用される繊維の種類

複合材料の構造特性は、主に繊維強化によって決まります。複合材料では、マトリックス樹脂によって固定された繊維が引張強度を高め、最終部品の強度や剛性などの特性を向上させながら、重量を最小限に抑えます。

繊維の特性は、繊維製造プロセスだけでなく、プロセスで使用される成分やコーティング化学物質によっても決まります。

ガラス繊維

複合材業界で使用される繊維のほとんどはガラス繊維です。ガラス繊維は、ほとんどの最終市場の用途で最も古く、圧倒的に最も一般的な補強材です (航空宇宙産業は重要な例外です)。これらの用途では、

ガラス繊維は重い金属部品の代替として使用されます。ガラス繊維は、次に一般的な補強材である炭素繊維よりも重く、それほど硬くはありませんが、衝撃に対する耐性が高く、破断時の伸びが大きくなっています (つまり、破断するまでに伸びる量が大きい)。ガラス繊維の種類、フィラメントの直径、コーティングの化学組成 (「サイジング」と呼ばれる)、繊維の形状に応じて、さまざまな特性と性能レベルを実現できます。

ガラス繊維を作るには、原料を溶かして、直径 3.5 ミクロンから 24 ミクロンの細く高度に粉砕されたフィラメントに引き抜きます。主な原料は珪砂で、通常、ガラス繊維の重量の 50% 以上を占めます。シリカには金属酸化物やその他の成分を追加することができ、処理方法を変更して特定の用途に合わせて繊維をカスタマイズできます。

連続ガラス繊維は、ロービングと呼ばれる束で供給されます。ロービングは通常、大きなスプールに糸のように巻かれた無撚糸の束です。片端ロービングは、ストランドの長さに沿って伸びる複数の連続ガラス繊維のストランドで構成されています。多重ロービングには、巻き取り中にずらして配置された、より長いが完全に連続していないストランドが含まれます。糸は、一緒に撚られた糸のグループです。

電気ガラス繊維、または E ガラス繊維は、その化学組成により優れた電気絶縁体になるため、そのように名付けられました。特に、航空機のレドーム、アンテナ、プリント回路基板など、無線信号の透過性を必要とする用途に適しています。ただし、複合材料用の最も経済的なガラス繊維でもあり、多くの用途の性能要件を満たすのに十分な強度を比較的低コストで提供します。これはガラス繊維の標準形式となり、すべてのガラス繊維強化材料の 90% 以上を占めています。 E ガラス繊維の少なくとも 50% は酸化ケイ素で構成されています。許容範囲には、アルミニウム、ホウ素、カルシウムの酸化物、および/または石灰石、蛍石、ホウ酸、粘土などの他の化合物が含まれます。

より高い強度が必要な場合は、1960 年代に軍事用途で最初に開発された高強度ガラス繊維が選択肢となります。米国では S ガラス繊維、欧州では R ガラス繊維、日本では T ガラス繊維など、いくつかの名前があります。ガラス繊維のストランド引張強度は約 700 ksi、引張弾性率は最大 14 Msi です。S ガラス繊維の酸化ケイ素、アルミナ、酸化マグネシウムの含有量は E ガラス繊維よりも大幅に高く、E ガラス繊維よりも 40 ~ 70% 強力です。

When the temperature is increased from ambient temperature to 540°C, the tensile strength of E-glass fiber and S-glass fiber is reduced by half, although both fibers still exhibit good strength over this elevated temperature range. Manufacturers constantly adjust the formula of S glass fiber. For example, AGY Holding Corp. (Aiken, SC, US) introduced S-3 UHM (Ultra High Modulus) glass fiber a few years ago. The upgraded S-3 glass fiber has a tensile modulus of 14,359, which is higher than S-glass fiber glass and 40% higher than E-glass, due to improved fiber manufacturing as well as proprietary additives and melt chemistry.

Although glass fibers have relatively high chemical resistance, they are eroded by leaching when exposed to water. For example, an E-glass filament with a diameter of 10 μs typically loses 0.7% of its weight when left in hot water for 24 hours. However, the rate of erosion slows significantly because the leached glass fibers form a protective barrier on the outside of the filaments; After 7 days of exposure, the total weight loss was only 0.9%. To slow down erosion, moisture-resistant adhesives, such as silane compounds, are used in the fiber manufacturing process.

Corrosion-resistant glass fibers, known as C glass fibers or E-CR glass fibers, are more resistant to acidic solutions than E glass fibers. However, E-glass fiber and S-glass fiber are more resistant to sodium carbonate solution (alkali) than C-glass fiber. Boron-free glass fibers are comparable in performance and price to e-glass, showing higher corrosion resistance in acidic environments (similar to E-CR glass fibers), higher elastic modulus, and better high-temperature performance. In addition, removing boron from the manufacturing process has less impact on the environment, which is a decisive advantage.

カーボン ファイバー

カーボン ファイバーは、高性能アプリケーションで圧倒的に最も広く使用されているファイバーであり、ポリアクリロニトリル (PAN)、レーヨン、アスファルト、リグニンやバイオ PAN などのバイオベースの炭素を多く含む前駆体など、さまざまな前駆体から製造されます。前駆体ファイバーは、化学的に処理され、加熱されて引き伸ばされ、その後炭化されて高強度ファイバーになります。市場に最初に登場した高性能カーボン ファイバーは、レーヨン前駆体から作られました。PAN ベースのカーボン ファイバーは、構造用途でレーヨンに取って代わって久しいですが、レーヨンの「ドッグボーン」断面と高温特性により、熱シールドのアブレーション カーボン/カーボン (C/C) 複合材によく選ばれるファイバーとなっています。PAN ベースのカーボン ファイバーは、最も広く使用されているカーボン ファイバーです。優れた強度 (1000 KLB/平方インチ) や高剛性など、さまざまな驚くべき特性を備えています。アスファルト繊維は石油または石炭のビチューメンから作られ、剛性は高いか極めて高く、軸方向の熱膨張 (CTE - 熱膨張) は低いか負です。その CTE 特性は、電子機器のハウジングなど、熱管理を必要とする宇宙船の用途で特に役立ちます。

カーボン ファイバーはガラスやアラミド ファイバーよりも強度がありますが、導電性があるため、耐衝撃性が低いだけでなく、接触する金属にガルバニック腐食を引き起こす可能性があります。製造業者は、ラミネート ラミネーション プロセス中にバリア材料またはベール層 (通常はファイバーグラス/エポキシ) を使用して、後者の問題を克服しています。

高性能カーボン ファイバーの基本的な繊維形態は、トウと呼ばれる連続繊維束です。カーボン ファイバー束は、数千本の連続したねじれのないフィラメントで構成され、フィラメントの数は数字の後に「K」が付き、これは 1000 倍を意味します (たとえば、12K はフィラメントの数が 12000 であることを意味します)。トウは、繊維巻き取りやプルトルージョンなどのプロセスに直接使用することも、一方向テープ、織物、その他の強化された形態に変換することもできます。

射出成形

射出成形とも呼ばれ、炭素繊維強化ナイロンやポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂原料（ペレット）を加熱溶融し、金型のキャビティ（隙間）に注入する成形方法で、短サイクルや複雑形状の成形に適した方法です。