2020 Fiscal Year Annual Research Report
Utilizing the Sacrificial Bonding Principle to Create Soft-Hard Composites with Toughness that Surpasses Metals and Novel Functions
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17H06144
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
グン 剣萍 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (20250417)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
黒川 孝幸 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (40451439)
野々山 貴行 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (50709251)
キング ダニエル 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (50794583)
中島 祐 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (80574350)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 複合材料 / 高分子材料 / ソフトマター / ゲル / 高強度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハード相を犠牲結合とする複合材料では、プラスチックの三次元格子によるハード相と水中における膨潤能を有するハイドロゲルによるソフト相を用い、ソフト相とハード相のポアソン比ミスマッチが複合材料の膨潤・力学特性に与える影響を解析した。ハイドロゲルは、溶媒に浸漬させると溶媒を取り込んで膨潤（体積変化）する性質を持つ。ハード相にジャングルジム型構造を採用した複合材料を溶媒に浸漬させた場合、そのジャングルジム型構造がソフト相の膨潤に全く追随出来ないため、ソフト相の膨潤に伴ってハード相の構造が崩壊し、弾性率・強度が大きく損なわれる。一方、ハード相に負のポアソン比を持つオーセチック構造を採用した場合、ソフト相の膨潤収縮にハード相が追随可能であるため、複合材料が膨潤または収縮しても構造崩壊が起こらず、優れた力学特性が保たれることが見いだされた。
続いてソフト相を犠牲結合とする複合材料では、ソフト相の局所的大変形による粘弾性効果が、ソフト複合材料を大きく強靭化していることを見出した。複合材料の幅が狭い場合、その亀裂進行は、ソフト相からハード相（繊維）が引き抜かれることに起因するソフト相の破断により生じることが見いだされた。ここで、繊維引き抜きが起こる部位ではソフト相が局所的に高速で大変形し、粘性的なエネルギー散逸が生じることで、材料の引裂エネルギーが極めて高くなると予想された。我々は、この局所的な粘性散逸の効果を表す半経験的な式を導いた。本式に従い、ソフト相単独の機械的特性とハード相の構造因子を最適化することで、粘性散逸の効果を増大させ、本タイプのソフト複合材料の靭性をさらに高めることに成功した。
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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
ハード相を犠牲結合とする系では、昨年度の研究をさらに発展させ、ハード相のポアソン比が複合材料の力学・膨潤特性に与える影響を解析・理解出来た。ソフト相を犠牲結合とする系では、研究推進方策に従い、複合材料中のソフト相の局所的変形に伴う粘性散逸効果に着目して研究を行い、材料の靭性に関する半経験的な理論式を導くことが出来た。本理論式に従って材料設計を最適化したことで、複合材料の更なる強靭化に成功した。
これらの成果により、ソフト複合材料を創製するための一般的指針を獲得出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
ソフト複合材料の医療用途への応用を見据え、主に生体材料をハード相としたソフト複合材料の開発に取り組む。具体的には、ハイドロキシアパタイトなどのバイオセラミックスや生体高分子からなる繊維をハード相とし、生体適合性のソフト相と複合させる。これらの生体適合性ソフト複合材料におけるソフト・ハード相の設計は、本年度までに得られた一般的指針に基づいて行う。医学部との共同研究により、得られた複合材料について人工骨や人工腱などへの応用可能性を探る。
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