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カーボンとアルミでは、強度はどちらが上ですか?

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質問者

saikurisutokazuさん

2009/7/2812:36:59

カーボンとアルミでは、強度はどちらが上ですか?

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tenten00xさん

2009/7/2815:53:57

強度はよく硬度で評価されることが多いのですが、硬度で言えば間違いなくカーボンです。

しかし、強度の評価基準には幾つか種類があり、硬度と共に靭性も重要なポイントとなってきます。
(まぁ、他にも重要な要素はあるのですが、話を簡潔にするため硬度と靭性の2つに絞り話をします。)

硬度とは硬さのことでガラスをイメージしてもらえばわかりやすいのですが、硬いですよね?でも割れますよね?
カーボンはガラスより硬度があるため、また繊維素材であるためガラスと同じようには行きませんがあんな感じです。

靭性とは素材の粘りのことで、ネバネバしているのではなくグニャグニャ出来るという感じです。例えば、針金と鉛筆の芯を思い浮かべてください。針金はグニャグニャ曲げられますよね?でも鉛筆の芯はポキッと折れてしまいますよね?この差です。
まぁ、針金もグニャグニャ何回も曲げ伸ばししてるといずれは折れてしまいますが、コレは(聞いたことあるかもですが)金属疲労と言う現象で別のお話。(金属疲労も重要ではありますが、強度に直接関係しにくいのと、今回は話を簡潔にするため後の話では省きます。と言ってもアルミには金属疲労は関係ないのですが・・・。)


例えば、ただ単に荷重のみの負荷しかかからないのか。もしくはガツンと衝撃が加わるのか。

もし前者ならただ硬ければ良い訳です。しかし、後者の場合、硬度に富んだ素材は靭性が乏しいため、もし許容範囲を超える衝撃(負荷)が加わったらパキッと割れてしまう訳です。

割れるだけならまだしも、カーボンのような繊維素材は粉々に砕け散るような壊れ方をします。

ようは適材適所で、硬ければ良いとは一概に言えないのですね。


今更ですが、このカテと言うことは自転車のフレーム素材ですか?

でしたら両者にそれ程の差はありませんよ。考えてみてください。何故硬い素材を使ったフレームが何故軽いのか?

確かにカーボンは樹脂なので比重を考えても金属素材よりは軽いですよ。しかし、それよりも決定的なのがフレーム強度です。

強度を維持しながら軽く仕上げたいと考えた先人は強度に優れた素材を用いてフレームを薄く仕上げれば軽くなると考えました。(多分、この考えの発端はこの業界じゃないかも)

この差が露骨なのは6000系アルミと7000系アルミですかね。両者には金属とカーボンほどの比重の差は無く、体積辺りの重さは近いです。しかし、6000系と7000系アルミフレームではコンマ1桁kgの差が出てきます。

この要領でカーボンを使えばもっと軽く、更にカーボン自体軽量なのでもっと安全率を取ることができるのですが、ロードではただ単にオーバースペックな足枷になるのでやってないだろうな。

MTBならオーバースペックどころか、カーボンは衝撃荷重に弱いですからもっと強くする必要があるわけです。

まぁ、長々失礼しました。結論・・・と言うか最初にも言いましたが、素材強度のみを言えばカーボンが間違いなく上です。

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manabu_kunさん

2009/7/2922:20:00

素材の重量あたりの強度、単位断面積あたりの強度ではカーボンが強いです。

ただ、フレームとしての強度なら品物によりけり。
超軽量カーボンフレームよりも、初心者用の安物アルミフレームの方が丈夫です。

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2009/7/2823:05:17

同じ重量で、一定方向への引っ張り強度であれば、圧倒的にカーボンが強いです。

カーボン技術が優れているのは実は日本の釣竿です。中でも鮎竿。リールを使わない延べ竿で10メートルほどもありながら、軽いことと高感度であることが要求されます。最高級の竿は250gほどしかありません。10メートルもあるのに。価格は40万円以上。
フェラーリのスタッフが日本に来て釣竿いっぱい買っていくのだそうです。
この竿、落として岩に当たったりすると、割れます。ひびが入るのではなく、粉々に粉砕するのだそうです。
圧縮トン数を高くしてとことん硬度を突き詰めた竿は靭性まで犠牲にするようです。
竿だけじゃないみたいです。今月のバイクラを読んでたらスコットのアディクトという軽量バイクに関するレポートで、「風で倒れて、トップチューブをコンクリート製の縁石の角にヒットさせてしまった」「降りるときにバランスを崩し、脚をボトルケージに引っ掛けてしまった」といった理由でフレームにクラックが入ったというユーザーの話が紹介されています。
スラムレッドとコズミックカーボンで完成車重量5.9キロという究極の自転車を作ってしまうと、走るために必要な強度以外は犠牲にしてしまうから、そういうことになるみたいです(ちなみに価格は150万円)。
設計上意図した方向に対しては、重量の割にとても強いのがカーボンという素材ですが、意味もよく理解せずにカーボンは強いという部分だけを盲信してしまうと、びっくりするぐらい簡単に壊れてしまうこともあります。

アルミも伸びや粘りの少ない金属なので、じんわりと曲がるのではなく突然ポキっと折れるクチです。
しかし高弾性カーボンほど極端なことはありません。一方で、残念ながら高弾性カーボンほど軽量高剛性にもできません。

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編集あり2009/7/2822:04:37

間違い無くどっちも強度は低いです。

フレームには両方止めた方が良いです。

コンポーネントならば、アルミにすべきです。

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angespeedestさん

2009/7/2820:28:42

強度で言えば間違いなくカーボンです。
CFRPは言わば炭素繊維の織物です。
炭素繊維自体の比強度は超々ジュラルミン(7000系アルミ)に比べると、
約10倍程度。密度は約半分程度と非常に高性能です。
またこの炭素繊維を保持するものをマトリックスといいますが、一般的にエポキシ樹脂が用いられます。
これを含めた構造材としては
引張強度が7000系アルミの約5倍、比強度が約10倍、やはり密度が約半分
と非常に高性能な素材です。
また比弾性もアルミに比べ非常に優れています。
これはチャリにおいては衝撃減衰が行われます。

あとアルミは金属疲労強度が無く、すべての衝撃を蓄積し、破断しますが
カーボンはそのようなことは有りません。
ただカーボンは限界強度を超えた瞬間、変形せず破断に至ります。

ちなみに個人的には、チャリのフレームは
カーボンが最良と思います。

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marioku68さん

2009/7/2815:28:04

他の方が言うようにカーボンでほぼ間違いないです。
ただし、一般的な使い方であれば、どちらが上ということはあまり考えなくてもいいと思われます。
ちなみにカーボン車の場合でも低価格車のカーボン、完成車で20万前後の物のカーボンフレームは良くないので
それ以上の物か逆にその位の予算であればあえてアルミという選択も充分有りです。
目安でカーボン完成車で30万くらいのものについてるものが最低おすすめ価格帯です。

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