2017 Fiscal Year Annual Research Report
導電性を制御可能な航空機構造用CFRPの創出と電撃損傷挙動に関する研究
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16H02424
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
小笠原 俊夫 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20344244)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横関 智弘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50399549)
平野 義鎭 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究開発員 (90425786)
石田 雄一 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (20371114)
後藤 晃哉 山形大学, 理工学研究科, 助教 (10570864)
高橋 辰宏 山形大学, 大学院有機材料システム研究科, 教授 (60344818)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 複合材料 / 航空機 / 雷撃 / 損傷 / 電気伝導度 / 損傷解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高い導電性と力学特性の両立を目指し、導電性高分子・ポリアニリン（PANI）とドーパント・ドデシルベンゼンスルホン酸（DBSA）、硬化ポリマー・ジビニルベンゼン（DVB）からなる導電性樹脂について、ドーパントの複合化、事前ドーピングの適用、樹脂硬化プロファイルの最適化を実施し、CFRPの試作・実験的評価を実施した。改良したプロセスを経ることで、試作したCFRPは、成形安定性や品質安定性に課題は残るものの、高い面外導電率（1 [S/cm]以上）と優れた曲げ強度（500 [MPa]以上）を発現することを確認した。模擬雷撃試験を実施し、100 kAまでの瞬時大電流を付与した場合にも目立った損傷が発生しないことも確認された。さらに、PANIとカーボンナノ材料との複合化に関する検討もはじめ、導電率及び力学特性共に、個々の特性向上を合わせた以上の特性向上（相乗効果）が得られることを見出した。あわせて、スチレン誘導体やエポキシ樹脂などの硬化モノマーと、PANI/ DBSAとの反応性を制御することを目的として、新規酸性官能基含有ポリマーの少量添加とドーパントの配合プロセスの検討を行った。その結果、従来プロセスと比較して、保存安定性が大幅改善するとともに、粘度低減することが確認された。
模擬雷撃試験の実験結果に基づき、電気伝導度の異なるCFRPを対象として有限要素法による電撃損傷過程のシミュレーションを行った。電気伝導度や熱分解特性を反映した損傷モデルを構築し、損傷解析手法の高度化を進めた。さらに電気伝導度に加えて、熱分解特性（耐熱性）、層間破壊じん性などがCFRPの電撃損傷挙動に及ぼす影響について調べるため、エポキシ樹脂、ビスマレイミド（BMI）、およびPEEK樹脂をマトリクスとするCFRPに対して模擬雷撃試験による評価を実施し、電気伝導度以外の影響も大きいことを新たに見いだした。
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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
PANI系導電性樹脂を適用したCFRPの開発、ナノカーボンの複合化による導電性の制御など、材料開発については当初の予定通りの成果が得られている。また、雷撃損傷挙動に及ぼす導電性の影響に関しても、実験的な評価に加えて有限要素法によるシミュレーションによる検討もなされている。更に、電気伝導度以外の材料物性値がCFRPの雷撃損傷挙動に大きく影響するという新しい知見も得られており、研究は順調に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
導電性樹脂を用いたCFRPの開発に関しては、導電率と力学特性を両立可能な樹脂組成と成形プロセスを確立できたが、成形性に関して、粘度や成形安定性など、品質安定化のために一層の改善する必要がある。そのため、硬化樹脂の変更による成形性向上検討を実施し、特性評価や耐雷性評価を実施する予定である。また、カーボン系ナノ材料との複合化に関しても高導電化・高強度化・成形性向上を目指して、さらなる検討を進める。
新たな添加剤と配合プロセスによりPANI/DBSAと硬化モノマーとの反応性が制御できるようになったため、硬化モノマーとしてスチレン誘導体よりも高反応性であるエポキシ樹脂を用いた検討を行う。また、酸性官能基含有ポリマーの組成、形状の変更や、ドーパントの配合プロセスを最適化していくことで、熱硬化樹脂の高導電化、高強度化、成形性の向上を目指していく。
導電性を制御したCFRPに対して、模擬雷撃試験による電撃損傷評価試験を実施する。また、導電率、熱分解反応特性、層間破壊じん性値などの材料特性が、雷撃損傷に及ぼす影響について、実験による検証を継続するとともに、有限要素法による数値シミュレーションによる定量的・定性的な考察を行う。あわせて、電撃損傷に対する導電率のロバスト性について詳細な検討を行い、導電性の制御によるCFRPの雷撃損傷抑制メカニズムを解明する。
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[Presentation] Development of CFRP with improved lightning damage resistance2017
Author(s)
T. Yokozeki, T. Okada, V. Kumar, T. Goto, T. Takahashi, D. Qian, S. Itou, Y. Ishida, Y. Hirano, K. Tajiri, S. Honda, M. Hiraki, M Ishibashi, T Ogasawara, T Ishikawa
Organizer
2017 International Conference on Lightning and Static Electricity
Int'l Joint Research
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