カーボンファイバー vs アルミニウム

炭素繊維は、ますます多様な用途においてアルミニウムに取って代わられつつあり、過去数十年にわたってその傾向が続いています。これらの繊維は、その並外れた強度と剛性で知られており、また非常に軽量です。炭素繊維ストランドをさまざまな樹脂と組み合わせて複合材料を作成します。繊維と樹脂の両方の特性を活かした複合材料です。この記事では、カーボンファイバーとアルミニウムの特性の比較と、各材料の長所と短所を示します。

カーボンファイバーとアルミニウムの比較結果

以下は、2 つの材料を比較するために使用されるさまざまな特性の定義です。

弾性率 = 材料の「硬さ」。材料の応力とひずみの比。弾性領域における材料の応力対ひずみ曲線の傾き。

極限引張強さ = 材料が破壊する前に耐えることができる最大応力。

密度 = 単位体積あたりの材料の質量。

比剛性 = 弾性率を材料の密度で割ったもの。密度が異なる材料を比較するために使用されます。

比引張強さ = 引張強さを材料の密度で割ったもの。

この情報を念頭に置いて、次のグラフはカーボンファイバーとアルミニウムを比較しています。

注: これらの数値には多くの要因が影響する可能性があります。これらは一般化したものです。絶対的な測定値ではありません。たとえば、より高い剛性や強度を備えたさまざまなカーボンファイバー素材が入手可能ですが、多くの場合、他の特性が低下するというトレードオフが伴います。

このグラフは、炭素繊維の比引張強度がアルミニウムの約 3.8 倍、比剛性がアルミニウムの 1.71 倍であることを示しています。

カーボンファイバーとアルミニウムの熱特性の比較

カーボンファイバーとアルミニウムの違いを示すもう 2 つの特性は、熱膨張と熱伝導率です。

熱膨張は、温度が変化したときに材料の寸法がどのように変化するかを表します。

アルミニウムはカーボンファイバーの約 6 倍の熱膨張率を持っています。

長所と短所

先進的な材料やシステムを設計する場合、エンジニアは特定の用途にとってどの材料特性が最も重要かを判断する必要があります。高い重量比強度または高い剛性比が重要な場合、カーボンファイバーが最適な選択肢となります。構造設計の観点から見ると、重量の増加によってライフサイクルが短縮されたり、性能が低下したりする可能性がある場合、設計者はより優れた建築材料としてカーボンファイバーに注目する必要があります。靭性が重要な場合、カーボンファイバーは他の材料と簡単に組み合わせて必要な特性を得ることができます。

カーボンファイバーの低熱膨張特性は、光学デバイス、3D スキャナー、望遠鏡など、温度が変動する条件下で高度な精度と寸法安定性が必要な製品を作成する場合に大きな利点となります。

カーボンファイバーの使用にはいくつかの欠点もあります。カーボンファイバーは折れません。負荷がかかるとカーボンファイバーは曲がりますが、新しい形状 (弾性) に永久に適合するわけではありません。炭素繊維材料の極限引張強度を超えると、炭素繊維は突然破損します。エンジニアはこの動作を理解し、製品を設計するときにそれを考慮した安全係数を組み込む必要があります。また、カーボンファイバー部品は、カーボンファイバーの製造コストが高く、高品質の複合部品の作成には優れたスキルと経験が必要となるため、アルミニウムよりも大幅に高価です。