Carbon-fiber reinforced polymer composite materials with shape memory ability: relationship between material structure and shape memory characteristics
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22K05227
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 35020:Polymer materials-related
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
猪股 克弘 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80232578)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 形状記憶高分子 / 炭素繊維強化複合材料 / 高分子複合材料 / エラストマー / 架橋高分子 / 炭素繊維複合材料 |
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| Outline of Research at the Start |
形状記憶高分子は、温度変化などの外部刺激により試料形状が自発的に変化する。一方、架橋高分子と炭素繊維を複合化した炭素繊維強化高分子複合材料（CFRPC）は、軽量・高弾性率・高強度などの特性から、航空機や自動車などの分野で構造材料として近年特に注目されている。
本研究は、CFRPCが形状記憶材料としての特性を持つことに着目し、炭素繊維の剛性により形状変化時に大きな変形力を発現する形状記憶CFRPCの調製を行う。さらに、CFRPCの構造・物性と形状記憶特性の相関を明らかにし、様々な用途に応用可能な形状記憶CFRPCの設計指針を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
架橋高分子に炭素繊維（CF）を複合化した炭素繊維強化高分子複合材料（CFRPC）は、様々な分野で構造材料としての使用が注目されている一方、温度変化により試料形状が自発的に変化する形状記憶高分子としての特性も有する。本研究では、CFの剛性により形状回復時の応力や回復速度を向上させた形状記憶CFRPCについて検討する。2023年度は以下の研究を行った。
１．クロス状のCFを、マトリックスである架橋ポリメタクリル酸メチル（PMMA）に複合化させたCFRPCでは、マトリックスPMMAの架橋密度の影響を調べた。CFクロスの複合化によりゴム状平坦域での動的貯蔵弾性率は大きく増大した。一方、架橋密度の増加とともに弾性率も増加したが、複合化による変化に比べると小さいものであった。
２．CFの形状の違いの影響を調べるため、短繊維であるチョップド（長さ～6mm）およびミルド（長さ～0.3mm）のCFを、エポキシ樹脂マトリックス中に複合化することを試みた。チョップドCFは、溶剤やプレポリマー中に均一に分散させることが困難で、力学特性の測定が可能な試料の調製を行うことが出来なかった。より短繊維のミルドCFを用いたCFRPCでは、複合化による動的貯蔵弾性率の増大は見られたものの、クロスCFを用いたCFRPCと比較すると増大の程度は低かった。一方、形状回復時の速度や応力については、マトリックス単体と比べると向上が見られたが、貯蔵弾性率の違いが回復応力や回復速度に必ずしも反映しない、という傾向が見られた。
３．マトリックスがゴム状態である場合のCFの複合化の影響を調べるため、昨年度に引き続き、室温でゴム状態のマトリックスにCFクロスを複合化した炭素繊維強化エラストマーを調製した。複合材料中のCFの配向方向に対してどの角度で変形するかにより、引張強度や引裂き強度などが大きく変化することが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、炭素繊維強化複合材料（CFRPC）を調製し、その形状記憶特性について、CFRPCの構造と基礎的な熱的・力学的特性とを関連付けて検討することを目的としている。これまで、マトリックスとして、炭素繊維複合材料で一般的に用いられるエポキシ樹脂や、架橋密度の制御が容易なアクリル樹脂を用い、また炭素繊維（CF）として、長繊維を縦糸と横糸とした織物状クロスの他、短繊維であるチョップド（長さ～6mm）やミルド（長さ～0.3mm）を用いてCFRPCを調製した。これらに対して、動的貯蔵弾性率の温度依存性と、形状記憶特性（形状固定率、形状回復率の時間依存性、形状回復応力）との相関について検討した。
一方、形状記憶試験を行う際には、ガラス転移温度以上のゴム状態において試料を変形させているため、マトリックスがゴム状態でのCFRPCの力学特性についても詳しく検討した。室温でゴム状態であるアクリルゴムや低ガラス転移温度のエポキシ樹脂、ポリウレタンエラストマーをマトリックスとして用い、CFクロスを複合化したCFRPCエラストマーを調製した。これらについては、CFの複合化により引張強度や引裂き強度などの力学特性に与える影響に加え、炭素繊維の配向方向と変形方向とのなす角度の影響についても検討を行った。
以上のように、当初予定していた研究計画に沿って研究が進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である2024年度も、当初の計画通りに研究を推進する予定である。具体的には、形状記憶能を示すCFRPCについて、CFの形状が長繊維あるいは短繊維である試料を調製し、ガラス転移温度以下での形状固定率、ならびにガラス転移温度以上での形状回復時の応力と速度に関する測定を重ね、系統的な知見を得る。長繊維のCFを用いた試料では、CFの配向方向と変形方向とのなす角度についても着目し、形状記憶特性の角度依存性についても検討する。また、マトリックスが室温でゴム状態のCFRPCについては、マトリックス単体での力学特性が複合化によりどのように強化されたかという観点で測定を行う。以上の結果を整理して、形状記憶能を有するCFRPCにおいて、CFを複合化させた効果について総括する。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
