超ジュラとカーボン比較

もとの議題

元の議題は”プリプレグ製法のドライカーボンでは超ジュラルミンと同じ厚みでは強度が無く作れない”という議題である。製品として存在するか？という議題ではない。あくまでも”同じ厚みで比較して強度があるか？どうか？”という議題である。

超ジュラルミンとは

アルミニウム合金を参照

詳しい数値についてはこちらTechON

ここで定義されている超ジュラルミンとはA2024の超ジュラルミンを指す

カーボン素材とは、炭素繊維で織り成されたものである。織方向・織素材・硬化樹脂素材（レジン）・製法（常温樹脂積層・プリプレグ）によって各種強度が変化する。

カーボン加工種類ついて、また用語について

ドライカーボン

一般的にはドライカーボンとは”真空釜”で樹脂で繊維を積層し作成されたカーボンの事を指す。しかしながら、非常に高価である。一部、”ドライカーボン”と呼ばれているものの中には”プリプレグシートを利用して樹脂で作成したもの”も含まれる。本来の用法であればドライカーボンという名称は存在せず、”プリプレグシートを使用しオートクレレーブで焼き固めた製法で作成したカーボン製品”という事になる。本来のドライカーボンとは実際にはプリプレグシートは樹脂が染み込まされて半乾きの状態で販売されており、それを希望するメス型なり型に貼り付ける。その後、それを真空パックのような物にいれ硬化に余分な樹脂を吸いだすと共に加熱・加圧し成型されるものである。

ウェットカーボン

カーボン繊維を使って樹脂で積層されたものである。

ドライとウェットの見分け方

断面をみれば、ウェットはカーボン板と板の間に樹脂があるのが判る。ドライの場合は樹脂の量が非常に少ないので積層断面が非常にわかりづらくなる。また、切削した場合においては樹脂の解ける匂いがウェットカーボンではする。叩くとドライカーボンは非常に硬い事から”キンキン”といった様な金属的な音がする。

プリプレグとは

真空中で樹脂硬化温度まで加温し作成する方法である。釜の価格が非常に高い事と量産には向いていない為非常に高価なものとなる。

用語定義

以下からはこのように定義する（便宜上）

• ドライカーボンとはプリプレグシートを利用し作成されたカーボン製品
• ウェットカーボンとは樹脂積層と常温で作成されたカーボン製品

プリプレグカーボンと超ジュラルミンの強度比較

それでは、いかに定義するもので比較を行なう。

比較する内容は以下の通り

-超々ジュラルミンとドライカーボンパイプとの強度比較

-超々ジュラルミンとドライカーボンパイプを靭性からみた強度比較

超々ジュラルミン素材

本来は超ジュラルミン素材であるA2024-T4と比較するべきであるが、さらに強度が高いA7075-T6の超々ジュラルミン素材であり厚みが0.6mm以上あるもので比較する。

CFRP（プリプレグシートカーボンパイプ）

素地で比較しても意味が無いので製品で比較する。素材データは株式会社ホーペックのHPで開示されているデータを利用する。このホームページから開示されているデータより厚みは最小値の0.2mm（200μ）で利用するシートの物性値である。

-引っ張り強さ：190kgf/mm2＠A

-曲げ強度：70kgf/mm2＠ｂ

-圧縮強度：85kgf/mm2＠Ｃ

超々ジュラルミンパイプの強度

日本伸管株式会社作成超々ジュラパイプデータからパイプ作成に使用する超々ジュラルミン物性値データを利用する。

-引っ張り強度54kgf/mm2以下＠B

-耐力（曲げ強度）:47kgf/mm2以下＠ｂ

参考までに、A2024-T4（超ジュラルミン）

-引っ張り強度45kgf/mm2以上

-耐力（曲げ強度）:28kgf/mm2以上

耐力とは

ドライカーボンは伸びが少ない為（弾性変形率が小さい）に破壊強度を超えると一気に破壊される。鉄系（アルミ合金含め）素材は伸びがある為に破壊される事はなく、歪んで伸びてゆき、後に切れる（延性破壊）。よって、超々ジュラの破壊強度は”耐力”で表されている。素材の耐力とは、ある一定の力を加えてゆきその素材が弾性変形を超え、塑性変形が発生し元の形に戻らない時点である。

このデータの耐力は”0.2%の歪みが発生し元の形に戻らない状態になる力”を示している。

強度数値比較

Ａ＞Ｂであり、ａ＞ｂでありC>cである。よって、厚みが0.2mmのドライカーボンパイプ素材と厚みが0.6mm以上1.2mm以下の超々ジュラルミンパイプ素材を比べた場合において、引っ張り強度、曲げ強度ともカーボンパイプ素材の方が強い事が証明される。さらに、カーボンパイプ素材の圧縮強度は85kgf/mm2であり引っ張り強さ：190kgf/mm2、曲げ強度：70kgf/mm2、圧縮強度：85kgf/mm2である。25lbフロロカーボンライン（BAWO-SP+HG）のライン太さである0.465mmでの強度数値12.5kg以下であり、バス用リールのドラグ破壊力以下の数値である。よって、破壊される前にドラグがすべる訳である。さらに、今回のパイプデータはCFプリプレグ材を使ったプレス成型でのドライカーボンパイプであるのでレーシングカー並のオートクレーブを利用したカーボンパイプでは更に強度が数段増す事になる。さらに弾性率で比べた場合においても超ジュラ＜CFRPとなるのでカーボン素材で作成したスプールが変形し割れる事はないといえる。単純なパイプではなく、センター部分に補強リブ、さらに縁にも補強リブが入る形になるので非常に強い形とも言える。

また、超ジュラルミンのスプールが0.2mm～0.3mmの厚みである事と0.6mm以上1.2mm以下のパイプでのデータを比較すれば、実際のスプールに加わる力はここで比較したパイプ素材以下の機械的強度しか要求されていない事になる。スプールに掛かる強度よりシャフト強度の検討が必要となる。いかに、某社製超ジュラルミンスプール（カルカッタXT50用）のデータを記載する。

-スプール面の直径：下記参照

-スプール面の肉厚：約0.25mm

-リム部分の肉厚：約0.5mm

これは、0.25mmの肉厚のままではスプールが挫屈（潰れるもしくは変形する）してしまうので、補強である0.5mmのリブを挿入している事を意味する。上記のように、超ジュラルミンの耐性は弱い。よって、本体にリブを設けて圧縮つぶれ（丸パイプが潰れる側に作用する力）と変形を防いでいるものである。言い換えれば、スプールに作用する力は全てにおいて超ジュラルミンの素材データ以下であるので同じ厚みで超ジュラルミン以上のデータを持つカーボン素材を利用していれば、同じ厚みで作る場合において問題とはならない。

管座屈からの考察

本スプール形状はパイプ両端にフランジがありまた、センター部分にはディスクが入っている形状である事と薄肉である事から応力モードがn3モードではなくn2モードであると推定される（n2モードはストローを片側から押して潰れた形をイメージすると判りやすい。n3モードは両手の親指と人差し指でストローを対角に押しつぶした形をイメージして欲しい）。本スプールにおいて両端フランジが付いていることとセンターディスクと（以下センター内リブ）スプール端面フランジ（以下フランジ）間の距離は長いものでも20mm以下となる。よって、管座屈に関する圧力容器等の強度計算（ASME,高圧ガス保安協会等で計算式が存在する。ただし、圧力容器の為に容器上になっているものかもしくは単純パイプでの計算である）で行なわれるヤング率支配下における座屈応力よりもセンター内リブとフランジにおける、圧縮及び引っ張り側の応力分布が大きいと推定される。リブ間のセンター部においては管座屈方向の力が加わる事になるのでその一点に応力が掛かる事は製品の使用上ありえないが、万が一、全てのラインが放出されラインの残りがそのセンター部分であったと過程した場合においてヤング率を比べると、超々ジュラルミン（7300kgf/mm2）＞今回のCFRP（曲げ側の一番弱い方向で評価5400kgf/mm2）となるが、マグネシウムでは4500kgf/mm2となっており、その数値よりも大きく、またマグネシウムスプールが製品として流通し実用強度に耐えられている事から本材質（CFRP素材）で持たないという理論には帰結しない。また、CFRPのプリプレグシートではトレカT300素材では曲げでも9000kgf/mm2という素材も存在しさらには最大42000kgf/mm2という素材（ピッチ系素材、トレカM85）も存在する。この事から材料物性スレで指摘のあった「ヤング率」を座屈支配の主として考えた場合においてもCFRP素材で超ジュラと同様の厚みで製作した場合においても十分な強度を有する事となる。また、厳密には縦横で超ジュラ材質においてもヤング率は変わるがファイバーフロー（強度が出る繊維方向）においてはアルミ合金は同一と考えた場合において上の数値となる。CFRPはファイバーフローにより強度は変わるが、実際の組み立てを考えた場合において、3分割のパーツを一つに纏め上げる事から2分割パーツの2ply、センター部分の実質3plyを0,45,90の織方向を組み合わせる事でほぼ360°近い強度を得る事が出来ると想定できる。実際のファイバーフロー決定ではスプール両端とスプールセンターの3箇所に応力が掛かった場合のFEM解析を行なえば必要な織方向が決定できる。

靭性からの考察

靭性とはここで定義されているように、破壊靱性の値は次の二点で決定される。”破壊源の寸法””クラックの進展する際の破壊抵抗性”で定義される。これは、”一度破壊”が起こった場合においてどの程度進行するか？また、破壊が起きる強度は？という事になる。 これより、カーボンは一度破壊が起こると伸び率が非常に少ない為一気に破壊される為に靭性は弱いという事になるかといえばその通りである。しかしながら、靭性は破壊された後での素材の”粘り強さ”の指標でもある事から、破壊強度そのものが高ければ強度以下で利用している場合においては無視できる数値となる。なぜならば、破壊に至るまでの力がスプールには加わらないからである。靭性においては、ハンドルにカーボンを利用する際においては非常に大切な数値となる。靭性を考慮しなければならない場合は、以下のハンドルのように"曲がっても機能する必要があるもの”に限られる。スプールで考えれば、塑性変形が起きた時点で機械的強度以上の力が加わり、スプールの変形が起きているのでスプールとしては機能していない状態が発生している。現実的には、スプールよりもシャフトのほうが弱いのでシャフトが曲がる訳である。よって、実用上の強度は弾性強度以下の力しか加わらない為に塑性領域では使われないため、考慮する必要はない。これは、衝撃荷重及び動荷重においても同様で弾性強度以下で使う事とドラグ機能であるトルクリミッターがあるために考慮する必要はない。ただし、万が一であるが地表に落とした等が有った場合には、超ジュラスプールでは曲がり等で済む事がカーボンスプールでは割れてしまう事は考えられる。

重さへの考察

よって、超ジュラルミンとプリプレグ製法のカーボンスプールを比べた場合においては単純に同じ厚みで作った場合において圧倒的にかカーボンスプールの方が強度が強く軽いものが出来上がる事になる。超ジュラルミンのスプールが6gであった場合には厚み・寸法とも同じものを作ると超ジュラルミンでは比重2.8で6g。カーボンパイプの比重は1.6程度なので超ジュラスプールを6gとすれば、カーボンスプールは3.4g程度で完成する。

製作方法

では実際にどの様に作成するか？である。作成する場合には一方のメス型は凸で一方は┐┌型の筒の2つ金型が必要になる。ここに、80TONの高強度プリプレグを使用し凸の金型は底面を空けて全体を覆うように90度クロスシートを3:7の割合で積層する。凸の細い部分以外は出来上がり寸法が0.25mmとなるようにシートを貼り付ける。凸の天辺部分は0.5mmの厚さで貼り付ける。次に┐┌型の筒にもスプールのフランジ部分には寸法が0.25mmとなるように同じようにシートを貼り付ける。それをオートクレーブで焼き上げる。

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これを真ん中を差込んで更に上からシートで撒きつけ接合しもう一度焼き上げると以下の形になる。真ん中の仕切り板の様なものがディスク部分となる。実際には穴は開いていない。

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この真ん中に希望するシャフトを通して工業用の接着剤で取り付ける。エポキシ系工業用の接着剤で十分で使うとすれば、ネジレにも強い航空機用の接着剤が最良。捻り強度が必要となる。あとは、バランスを取って完成。

何故？カーボンハンドルは厚いのか？

亀がアップした画像でハンドルは明らかにジュラルミンのハンドルよりは厚い。これは正解である。なぜならば、素材そのものは”ドライカーボン繊維”であるが製造方法が”ウェット”であると推定できるから。理由は、積層面が断面から非常に樹脂層が厚く見える。また、ハンドルに加わる力のモーメントはスプールとは違い、回転方向以外の力が加わる事が理由である。完全に回転方向のみであればもっと薄く出来るので問題ないが、実際にハンドルを回す際には3次元方向に力が加わるからである。板材に対して、水平方向と垂直方向の両面の強度を検討する必要がある。よって、完全にオートクレープ製法で作ったハンドルでない事と”曲げ”には伸び率が少ない事で”一気に破壊される”事を防ぐ為に”しなりと粘り”である靭性を持たせる意味からハンドルの厚みは必然と厚くなる。

よって、実際に使う段階で”超ジュラハンドルが耐性を超え、”曲がり”その力がカーボンの破壊強度を上回った場合は、カーボンハンドルは”割れる”それを防ぐ為の厚みである。

スプールとは機械的特性を求める値が違う。

最強の品質で作ったオートクレプ製法のカーボンでもハンドルの場合には”超ジュラルミン”では、曲がる事によって最悪の事態である”欠損・破断”は防げるが、カーボンの場合においては超ジュラルミンよりは強いとは言え、破壊強度以上の力が加わった場合においてはその機能を果たせなくなる”破断”が起きる事から、靭性を持たせより粘り強くする為に同じ厚みで作るには非常に難しい。

破壊強度を上回った場合に"折れる”事を理解し納得するのであれば構わないが。もちろん、その破壊強度を上回った力の場合において超ジュラルミンハンドルは”曲がる・変形する"事で機能を損なわない。

完全にオートクレープで作成したドライカーボンであれば”鉄の1/4の比重で強度は10倍”といわれているカーボンで作成できないと言う理由はない。価格は問題だが・・・・

以下のパーツについて

現実的なカーボンコンポジットスプール

ココから先は製作するに当たっての現実的な問題点（価格や機能やら）から考察したカーボンスプールである。

733 名前：衛宮士郎 ◆Alvwr6h8kM 本日のレス 投稿日：2009/01/20(火) 14:35:43

スプールの問題とは全く関係ありません。恐らく靭性の事を言いたいのでしょうが、放熱効果が優先されます。マグネシウムは放熱効果は非常に高いです。放熱効果と重量のバランスを考えた場合にはマグネシウムが適材です。カーボンでも作成可能でしょうが、樹脂が溶けます。よって使い物になりません。スプールの話と比較する自体が意味がありません。

また、超ジュラルミンはアルミが入っている事からマグネシウムに比べれば熱に対する伸びが大きいです。寸法変化がある訳です。そのことから、熱の影響と素材の軽さ、強度を考えてホイルの最高材質はいまのところマグネシウムの冷間鍛造品が最良の品質だといわれています。ちなみに、単車のレースの世界でもマグホイルは高級品でレース専用品に使われることが多いです。唯一の欠点は価格と耐腐食性でしょうか。しかし、その価格と耐腐食性の脆弱さを犠牲にしても得るもの（重量・放熱・剛性）がレースの世界では重要視される事から利用されています。

＠作成NA1 ◆NA1RZoncJM

コメントはいかに宜しく

• まってるぞー亀 -- NA1 (2009-01-20 12:35:27)