強化ゴム

強化ゴム製品は複合材料の最大のグループの 1 つですが、複合材料と呼ばれることはめったにありません。よく知られている例としては、自動車のタイヤ、ホース、コンベア ベルトなどがあります。

強化ゴム製品は、ゴムマトリックスと強化材を組み合わせて、高い強度と柔軟性の比率を実現します。強化材は通常、一種の繊維で、強度と剛性を提供します。強度と剛性が低いゴムマトリックスは、気密性を提供し、強化材が相対的な位置を維持できるようにサポートします。これらの位置は、結果として得られる機械的特性に影響を与えるため、非常に重要です。

加圧時にすべての繊維がどこでも均等に荷重を受ける複合構造は等方性構造と呼ばれ、荷重の種類は等張荷重と呼ばれます。等張概念を満たすには、構造形状が等張子午線プロファイルを持ち、繊維が測地線経路に沿って配置されている必要があります。測地線経路は、連続面上の任意の 2 点を可能な限り最短の経路で接続します。

まっすぐなゴムホースで最適な荷重を達成するには、繊維を約 54.7 度の角度 (マジック アングルとも呼ばれる) で配置する必要があります。マジック アングル 54.7 は、動脈など、ほとんどの生物学的加圧繊維巻きシリンダーで見られるように、内部圧力による縦方向応力とフープ (円周方向) 応力が正確にバランスします。ファイバー アングルが最初に 54.7 より上または下にあった場合、内部圧力の上昇によりマジック アングルまで上昇してフープ応力と縦方向応力が均等になり、ホースの直径と長さが同時に調整されるまで変化します。最初にファイバー アングルが低いホースは、圧力により 54.7 まで上昇し、ホースの直径が増加して長さが短くなります。一方、最初にファイバー アングルが高いホースは 54.7 まで低下し、ホースの直径が小さくなって長さが増加します。平衡状態はファイバー アングル 54.7 です。この状況では、繊維は純粋に張力で負荷される傾向があるため、その強度の約 100% が、内部圧力によってホースに作用する力に抵抗します。(円筒形のマジック アングル 54.7 度は、マトリックス材料の影響を無視した計算に基づいています。したがって、使用するゴム材料の剛性に応じて、実際の平衡角度はマジック アングルから数十分の 1 度変化する可能性があります。) ^{[引用が必要]}

補強構造の繊維が 54.7 度以上の角度で配置されている場合、繊維は加圧時に最適な経路に再配置されます。つまり、繊維は力の平衡に達するまで自らの方向を変えます。この場合、長さは増加し、直径は減少します。54.7 度未満の角度では、逆のことが起こります。この原理を利用した製品が空気圧式筋肉です。

一定の直径を持つ円筒の場合、補強角度も一定で 54.7 度です。これはマジック アングルまたはニュートラル アングルとも呼ばれます。ニュートラル アングルとは、巻き構造が平衡状態にある角度です。円筒の場合、これは 54.7 度ですが、製品の長さにわたって半径が変化するベローズのようなより複雑な形状の場合、このニュートラル アングルは半径ごとに異なります。言い換えると、複雑な形状の場合、マジック アングルは 1 つではなく、繊維は半径の変化に応じて角度が変化する測地線経路をたどります。等張荷重の補強構造を得るには、複雑な形状のジオメトリが等張子午線プロファイルに従う必要があります。

ミル織物補強材は、さまざまなプロセスでゴム製品に適用できます。ストレートホースの場合、最もよく使用されるプロセスは、編組、らせん状、編み、ラッピングです。最初の 3 つのプロセスに共通するのは、自動化されたプロセスで、複数の繊維ストランドが所定のパターンで同時に製品に適用されることです。4 番目のプロセスは、織物プライで補強されたゴムシートを手動または半自動でラッピングすることです。ベローズなどの複雑な形状のゴム製品の補強には、ほとんどのメーカーがこれらの織物補強ゴムシートを使用しています。これらのシートは、ゴムをあらかじめ織った織物プライにカレンダー加工して作られています。製品は、十分なゴムと補強材が適用されるまで、これらのシートをマンドレルの周りに巻き付ける (ほとんどは手作業) ことで製造されます。ただし、これらのシートを使用する欠点は、複雑な形状に適用する場合に織物の個々の繊維の位置を制御できないことです。したがって、測地線経路を実現できず、したがって等張体荷重も不可能です。複雑な形状に等張力荷重をかけるには、その形状が等張力プロファイルを持ち、繊維構造の測地線配置が必要です。これは、フィラメントワインディングやスパイラル巻きなどの自動巻き取りプロセスを使用することで実現できます。

• Koussios, S.; Nooij, SM; Beukers, A. 「加圧構造とホース: 最適な繊維強化による構造性能と柔軟性の向上」(PDF)。デルフト工科大学、航空宇宙工学部。