複合チューブ

カーボンファイバーの使用を検討する主な理由は、重量に対する剛性の比率が高いことです。 カーボンファイバーは非常に強く、非常に硬く、比較的軽いです。
材料の剛性は弾性率によって測定されます。 カーボンファイバーの弾性率は通常 34 MSI (234 Gpa) です。 カーボンファイバーの極限引張強さは通常、600-700 KSI (4-4.8 Gpa) です。 これを、弾性率がわずか 10 MSI で極限引張強度が 65 KSI の 2024-T3 アルミニウム、または弾性率が 30 MSI で極限引張強度が 125 KSI の 4130 スチールと比較してください。
炭素繊維の材料と加工の改良により、高弾性および超高弾性炭素繊維または高強度炭素繊維も利用可能です。
複合カーボンファイバー部品は、カーボンファイバーと樹脂 (通常はエポキシ) を組み合わせたものです。 カーボンファイバー複合部品の強度と剛性は、繊維と樹脂の両方の強度と剛性を組み合わせた結果になります。 複合部品の局所的な強度と剛性の大きさと方向は、積層体の局所的な繊維密度と配向によって制御されます。
エンジニアリングでは、特に重量の軽減が性能の向上やライフサイクルコストの削減に関係する場合、強度対重量比 (比強度) および剛性対重量比 (比剛性) の観点から構造材料の利点を定量化することが一般的です。
標準弾性率の平織りカーボンファイバーからバランスの取れた対称的な 0/90 レイアップで製造されたカーボンファイバー プレートの弾性曲げ弾性率は約 1000 です。 10 MSI。 体積密度は約 0.050 lb/in3 です。 したがって、この材料の重量に対する剛性の比または比剛性は 200 MSI です。このプレートの強度は約 200 MSI です。 90 KSI なので、この材料の比強度は 1800 KSI になります。
比較すると、6061 アルミニウムの曲げ弾性率は 10 MSI、強度は 35 KSI、体積密度は 0.10 ポンドです。これにより、比剛性は 100 MSI、比強度は 350 KSI となります。 4130 鋼の剛性は 30 MSI、強度は 125 KSI、密度は 0.3 lb/in3 です。これにより、比剛性は 100 MSI、比強度は 417 KSI となります。
したがって、基本的な平織りカーボンファイバーパネルであっても、アルミニウムやスチールよりも 2 倍高い比剛性を持っています。 比強度はアルミニウムの5倍、鋼鉄の4倍以上です。

カーボンファイバーを選択することの重要な利点の 1 つは、温度変化に対する寸法安定性です。 カーボンファイバーの熱膨張係数は 1 °F あたり 100 万分の 1 インチ未満ですが、スチールの場合は 1 °F あたり 700 万分の 1 インチ/インチ、アルミニウムの場合は 1,300 万分の 1 インチ/インチです。

複合部品を設計する場合、カーボンファイバーとスチール、アルミニウム、プラスチックの特性を単純に比較することはできません。 これらの材料は均質 (すべての点で特性が同じ) と等方性 (すべての軸に沿って特性が同じ) を持っています。 それに比べて、カーボンファイバー部品は均質でも等方性でもありません。 カーボンファイバー部品では、強度は繊維の軸に沿って存在するため、繊維の密度と配向は機械的特性に大きな影響を与えます。 これにより、任意の軸に沿って部品の機械的特性を調整できるようになります。