Mesoscale simulation technique of polymer composite materials for phase separations and mechanical properties

• Project/Area Number: 19K15627
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 35020:Polymer materials-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大矢 豊大 東北大学, 工学研究科, 助教 (60735554)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 高分子の相分離 / 複合材料 / 自己無撞着場理論 / 有限要素法

Outline of Research at the Start

多成分高分子を母材とする複合材料は無機介在物との相互作用から発現する複雑な相分離現象を制御することにより、高比強度・高比剛性に加えて強靭性を獲得できる。本研究では、高分子の相分離構造と複合材料としての機械特性評価を統一的に記述するメソスケール数値計算技術を開発し、相分離構造を制御するマクロな成型変数の推定、および相分離構造と機械特性との対応関係を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

炭素繊維強化プラスチックに代表される複合材料の機械特性は、相分離と呼ばれる高分子マトリクスの不均一構造に大きく影響を受けることが知られているが、その影響を予測・評価することは容易ではない。本研究では、複合材料における相分離構造の再現および相分離構造と機械特性の関係性の調査を目的として、高分子の密度汎関数理論と連続体力学をベースとしたシミュレーションアルゴリズムを開発した。具体的には、自己無撞着場理論と有限要素法を組み合わせることにより、「繊維のような複雑形状の境界を持つ系における相分離構造」および「得られた相分離構造に対する一軸引張変形」を再現するアルゴリズムの開発を行った。作成したアルゴリズムを検証するために２成分ホモポリマーブレンド、ブロックポリマーおよびそれらの複合系に対して円筒形繊維の影響の有無を系統的に調査した。
その結果、（１）繊維はその周辺部における高分子のコンフォメーションを拘束しバルク系とは特異な相分離構造を形成した。特に、ブロックポリマー系においては、ラメラ相とシリンダー相との間に新規な相が現れることがわかった。これら相分離構造は繊維含有率および繊維と高分子の濡性によって制御が可能であることを示した。（２）相分離ドメインのパターンが強度と靭性との間のトレードオフ関係に大きく寄与することがわかった。特に、相溶化剤の添加によるドメインの微細化が、損傷を抑制し靭性を向上させることを示した。

Research Products

• [Presentation] Field theoretical approach to polymer phase separation and its mechanical properties (2019)
  • Author(s): Yutaka Oya
  • Organizer: NIMS WEEK 2019
• [Presentation] Simulation of Phase Separated Polymer Matrix for an Applicatoin to a Composite (2019)
  • Author(s): Yutaka Oya, Naofumi Umemoto, Tomonaga Okabe, Toshihiro Kawakatsu
  • Organizer: Materials Research Meeting 2019