2016 Fiscal Year Research-status Report
シリカ膜マイクロカプセルを用いた自己修復性炭素繊維強化ポリマーの開発
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15K05683
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| Research Institution | Toyama Prefectural University |
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Principal Investigator |
真田 和昭 富山県立大学, 工学部, 准教授 (20363872)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤原 正浩 国立研究開発法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (90357921)
北條 正弘 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, その他部局等, 研究開発員 (60371100)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ショートビームせん断試験 / 複合材料 / マイクロカプセル / 開繊炭素繊維 / セルロースナノファイバー / グラフェン / 層間引張・せん断強度 / 自己修復 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、修復剤を内包した耐熱性の高いシリカ膜マイクロカプセルと、炭素繊維ストランドを空気で広げてポリマーの含浸性を改善した開繊炭素繊維ストランドを組み合わせることで、強化繊維の間隙にシリカ膜マイクロカプセルが均一配置する微視構造を形成した、自己修復性を有する炭素繊維強化ポリマー(CFRP)積層材料の開発を目指した研究を行うものである。本年度に得られた結果を要約すると以下の通りである。
（１）シリカ中空粒子を用いたシリカ膜マイクロカプセルの試作を行った。シラン系カップリング剤を用いて修復剤を吸収したシリカ中空粒子のコーティング処理方法について検討した結果、時間当たりの修復剤の放出は少なくなり、マイクロカプセル化に対する重要な結果が得られたが、放出を完全に阻止することはできなかった。
（２）シリカ中空粒子用いた自己修復CFRP積層材料の見掛けの層間せん断強度に及ぼす粒径と粒子質量分率の影響を検討した。粒子質量分率の増大に伴い見掛けの層間せん断強度は低下するが、ポリマー膜マイクロカプセルの場合に比べて低下の程度が小さくなった。また、シリカ中空粒子の積層材料の破壊挙動は、ポリマー膜マイクロカプセルの場合に比べて、脆性的になった。さらに、シリカ中空粒子の積層材料に発生するき裂は、繊維間で斜めに進展したが、ポリマー膜マイクロカプセルの場合は繊維に沿って進展し、膜素材の違いで、き裂進展挙動に相違が生じることが明らかとなった。
（３）ポリマー膜マイクロカプセルを用いた自己修復CFRP積層材料の見掛けの層間せん断強度と修復率に及ぼすグラフェン（GE）・セルロースナノファイバー（CNF）添加の影響を検討した。マトリックス中に超音波印加によりGE・CNFを添加した場合、GE・CNFが起点となって小さなき裂が多数発生し、見掛けの層間せん断強度は変化しないが、修復率が増大するといった新たな知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度は、シリカ中空粒子を用いたシリカ膜マイクロカプセルの試作を行い、シラン系カップリング剤が修復剤放出阻止に有効であることを見出したが、マイクロカプセル化技術は確立できなかった。さらなるコーティング処理方法の検討を行い、早期にシリカ膜マイクロカプセルを実現する予定である。また、シリカ中空粒子を用いたCFRP積層材料の層間せん断強度に及ぼす粒径・質量分率の影響を明らかにし、シリカ膜マイクロカプセルの優位性を確認することができた。しかし、シリカ膜マイクロカプセルを用いた自己修復CFRP積層材料に関しては未着手の状況である。さらに、ポリマー膜マイクロカプセルを用いた自己修復CFRP積層材料の修復率がGE・CNF等のナノ材料添加で増大する結果が得られ、新しい知見を得ることができた。一方、自己修復CFRP積層材料の衝撃後圧縮試験も一部実施し、興味深い結果を得ている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は、今年度に得られた結果と明確になった課題を鑑み、以下の方策で推進する。
（１）シリカ中空粒子を作製し、これに外部から修復剤を注入し、放出を阻止する加工プロセスを確立して、自己修復機能を発現させるためのシリカ膜マイクロカプセルを開発する。
（２）シリカ膜マイクロカプセルと開繊炭素繊維ストランドを用いた自己修復CFRP積層材料を対象に、層間引張・せん断試験を行い、層間引張・せん断強度と自己修復効果に及ぼす内部微視構造（シリカ膜マイクロカプセル粒径等）の影響を明らかにする。また、得られた結果とポリマー膜マイクロカプセルを用いた結果を比較し、優位性を検証する。さらに、マトリックスとして用いるエポキシ樹脂とGE・CNF等のナノ材料との複合化技術を確立し、自己修復CFRP積層材料のさらなる初期特性向上を図る。
（３）自己修復CFRP積層材料を対象に、衝撃後圧縮試験と超音波探傷法による内部損傷観察を行い、衝撃後圧縮強度と自己修復効果に及ぼす内部微視構造の影響を明らかにする。
（４）自己修復CFRP積層材料を対象に、有限要素法を用いた層間引張・せん断試験に関する損傷進展解析を行い、シリカ膜マイクロカプセルが効率良く破壊する内部微視構造を明らかにして、高性能な自己修復CFRP積層材料の設計指針を見出す。
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