三次元ナノ空間構造体による接合界面の応力場制御と異種接合技術への展開
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21H01219
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
細井 厚志 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60424800)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
須賀 健雄 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (10409659)
岩瀬 英治 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70436559)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000)
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| Keywords | 異種接合 / 複合材料 / 接合強度 / ナノ構造 / CFRTP / 応力場制御 / 界面ナノ構造 / 金属 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、金属表面に高秩序・高密度の3D金属酸化物ナノ空間構造体を創製し、その形状及び空間位置を最適に設計することで接合界面層の応力場を制御し、トレードオフ関係ある接合強度と層間破壊靭性の両方を飛躍的に向上させる熱可塑性炭素繊維強化プラスチック（CFRTP）と金属の直接接合技術を確立することを目的とする。本研究の技術が確立されることにより、CFRTPと金属の接着性に乏しいという課題を一挙に解消し、航空機や自動車分野のマルチマテリアル構造技術が促進されることや、スマートフォンやPCの筐体の接着技術への応用など、我が国において産業規模の大きい分野への展開も期待できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，輸送機器による環境汚染，地球温暖化が進む中で，自動車などの輸送機器の重量削減による燃費向上が求められている．そこで，既存の金属材料を比強度，比剛性に優れている炭素繊維強化プラスチックに置き換えることが期待され，適材適所に異種材料を用いるマルチマテリアル化がすすめられている．また，自動車などの大量生産が求められる産業では，プレス成型が可能でリサイクル性が高い，母材樹脂を熱可塑性樹脂とした炭素繊維強化熱可塑性プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics: CFRTPs)の適用が期待されている．従来行われているボルトやリベットを用いた機械的締結ではそれ自体の重量増加や応力集中源となることや，接着剤接合では生産性や接合強度に課題があり，優れた接合特性を有するCFRTPと金属の直接接合技術が求められている．本研究では，アルミニウム合金A5052とPEEK樹脂を母材樹脂としたCFRTP（CF/PEEK）を試験サンプルとして用いた．接合時の化学反応を促すため，表面にシランカップリング処理を施したA5052側から熱を加えながら加圧し，CF/PEEKの表面にある母材樹脂を溶かして接合する熱溶着を採用した．このように接合した試験片の接合強度向上のメカニズムについて量子化学計算を用いて解析および考察した．量子化学計算を活用したシランカップリング剤の分子構造の特定により，シランカップリング剤の撹拌時間が短いときはA5052表面への付与量の増加とPEEK樹脂との水素結合によりせん断強度が向上し，長くなるとA5052表面へウレタン結合しPEEK樹脂とシランカップリング剤の分子鎖の絡み合いによりせん断強度が向上する可能性が示唆された．また，CF/PEEKとアルミニウム合金は幅広い温度域で高い接合強度を示した。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(19 results)
