Study of barrier layer on moisture absorption of thin carbon fiber reinforced plastic substrates

• Project/Area Number: 17K18782
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Particle-, Nuclear-, Astro-physics, and related fields
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: Awaki Hisamitsu 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 教授 (30252414)
• Research Collaborator: Matsumoto Hironori ; Kamiya Tomohiro
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2018: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2017: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 炭素繊維強化プラスチック / 膨潤変形 / 反射鏡 / CFRP / 防湿効果 / X線反射鏡 / 防湿 / 光学素子

Outline of Final Research Achievements

Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) has a higher strength-to-weight ratio and forming flexibility than metals, making it suitable for fabricating lightweight X-ray mirrors. However, CFRP has the disadvantages of print-through and deformation due to moisture absorption, which have prevented its use in optical mirrors. To expand the application of CFRP, we studied the formation of a moisture barrier layer on CFRP substrates. We formed a flattening layer a few micrometers thick on a CFRP substrate, following which we coated the substrate with SiOx as a moisture barrier. The effect of moisture absorption was then evaluated using accelerated aging tests. We found that the diffusivity of the CFRP substrate at 60°C and a relative humidity of 100% was about 2 × 10－6 mm2 h－1, which is 1/500th that of the barrier-less substrate. We also demonstrate potential for a CFRP mirror.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

CFRPを長期に利用する際や宇宙または真空中で使用する際に、CFRP内の水分量が作成時と比べて変化し、それがもとで変形する。このためCFRPを光学素子や精密部品として使用する際の大きな課題となっている。吸湿対策はこの変形を大幅に軽減する有効な手段であり、CFRPの精密部品への応用を可能とする。また、反射鏡として使用可能なシリカ面が形成できれば、CFRPを容易に光学系に利用することが可能となり、その応用範囲は広い。本研究は、日本の主力技術であるCFRPの可能性を増やすことにつながるものである。

Research Products

• [Journal Article] Development of a lightweight x-ray mirror using thin carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) (2018)
  • Author(s): Awaki, H., Oue, C., Iwakiri, H., Omatsu, M., Yoshida, T., Yokota, T., Ishida, N., Matsumoto, H.
  • Journal Title: Proceedings of the SPIE Volume: 10699 Pages: 132-132
  • DOI: 10.1117/12.2312037
• [Presentation] 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)へのX線反射面形成法の開発 II (2019)
  • Author(s): 粟木久光・吉田鉄生・相田 望・松本浩典・米山友景・井出峻太郎・三石郁之・大塚康司・清水貞行・田村啓輔・中澤知洋・石田 学・前田良知・中庭 望
  • Organizer: 日本天文学会2019年春季年会
• [Presentation] レプリカ法に変わるCFRP上でのX線反射面形成法 (2019)
  • Author(s): 粟木久光・松本浩典・三石郁之・相田 望・吉田鉄生・中澤知洋・大塚康司・清水貞行・米山友景・井出峻太郎・石田 学・前田良知・中庭 望
  • Organizer: 第19回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)へのX線反射面形成法の開発 (2018)
  • Author(s): 粟木久光・大上千智・吉田鉄生・岩切 駿・相田 望・松本浩典・三石郁之・大塚康司・清水貞行・田村啓輔・中澤知洋・石田 学・石田直樹
  • Organizer: 日本天文学会2018年秋季年会
• [Presentation] 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を用いた軽量大面積X線望遠鏡の開発の現状 (2018)
  • Author(s): 粟木久光・大上千智・吉田鉄生・岩切駿・相田望・松本浩典・三石郁之・大塚康司・清水貞行・田村啓輔・中澤知洋・石田学・石田直樹
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Development of a lightweight x-ray mirror using thin carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) (2018)
  • Author(s): Awaki, H., Oue, C., Iwakiri, H., Omatsu, M., Yoshida, T., Yokota, T., Ishida, N., Matsumoto, H.
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X線望遠鏡用炭素繊維強化プラスチック(CFRP) 反射鏡と位置調整法の開発 (2018)
  • Author(s): 大上千智・粟木久光・大松茉喜・吉田鉄生・横田 翼・三石郁之・田村啓輔・ 石田直樹・中野慎也・大塚康司・吉田篤史・松本浩典
  • Organizer: 日本天文学会2018年春季年会