2017 Fiscal Year Research-status Report
Effects of interphase layer on mechanical properties of silicone rubber composite filled with nano-silica particles
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17K06053
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
足立 忠晴 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20184187)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石井 陽介 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70781706)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 材料設計 / シリコーンゴム / シリカ粒子 / ナノコンポジット / 力学的特性 / 中間層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノシリカ粒子を充填したシリコーンゴム複合材料の変形特性，強度特性，破壊特性などの力学的特性について，充填ナノシリカ粒子表面に特有に形成される中間層が及ぼす効果を明らかにすることを目的としている．変形特性，強度特性，破壊特性に生じる充填粒子の粒径依存性の相違を利用して，ナノシリカ粒子充填によりシリコーンゴム複合材料の力学的特性を独立に制御することが可能となる材料設計方法を提案することを目的とした．
作製した複合材料についてガラス状態からゴム状態に至る温度範囲である-100から200℃における粘弾性特性を測定した．その結果，ガラス転移温度は充填粒子の粒径には依存しないことを確認した．ゴム領域においてナノ粒子のまわりには中間層が形成されることを電子顕微鏡により確認した．さらにガラス領域の粘弾性特性には粒径依存性がなく，ゴム領域ではナノ粒子を充填することにより貯蔵弾性係数が増加することがわかった．以上のことから，ナノ粒子の周囲に形成される中間層は母材がガラス状態にあるような粒子と母材分子が絡み合った状態にあり，ガラス転移温度以上でもガラス状態にあることが判明した．中間層によりナノ粒子がより大きい粒子としてゴム状態で挙動すること仮定して，貯蔵弾性係数がGuth-Goldの複合則で説明できると見かけの粒子充填率を逆算することにより中間層厚さを同定した．その結果，中間層は20 nm程度の厚さであり，温度上昇とともに減少することがわかった．このようなことはエポキシ樹脂などの他の材料でも確認された．
さら複合材料の引張試験を実施し，大変形を示す材料の変形特性を測定するために，画像処理により試験片表面のマーカーの変位を測定することにより試験片の縦ひずみおよび横ひずみを測定するシステムを構築した．また，き裂進展試験を実施し，き裂先端が大きな変形を示し，鈍化することを明らかにした．
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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
当初，計画していた複合材料の評価および形成される中間層の評価について，作製された複合材料について，-100 から200 ℃のガラス状態からゴム状態の温度域の粘弾性特性の測定を行い，粘弾性特性から得られるガラス転移温度についてナノ粒子充填によるガラス転移温度から母材ゴムの分子の絡み合いに変化が生じるのかどうかについて確認した．特に中間層がガラス状態にある母材で形成されていることを明らかにしたことは重要な結果である．これを前提として，母材がゴム状態にあるときの粘弾性特性の変化を説明することが可能となり，複合則を逆算することで中間層厚さを推定することが可能となった．平成30年度以降の研究方向性を明確にしたことで今年度の結果は十分なものといえる．
引張変形特性，き裂進展特性の測定については，ゴム材料であるために大変形を示すために従来の金属材料に対する試験とは特別な配慮が必要であり，特に破断，破壊特性を測定するために非接触で測定を行う日知洋画生じた．平成29年度においては，この問題を克服するための検討に注力した．その結果，試験片上の適切な描かれたマーカーの変位を画像処理により測定することで可能とした．その方法により引張試験およびき裂進展試験を実施した．
以上のことから，深刻な研究計画に遅れが生じることなく，おおむね順調に進展しているものと判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度においては，前年度に得られた中間層はガラス状態の母材で形成されているという事実に基づいて考察をさらにすすめる．
引張変形特性については，前年度，検討した試験片表面のマーカーの変位を画像処理によりひずみ測定する方法に基づいて応力－ひずみ線図を求めることとする．異なる粒径のシリカ粒子の充填率を変えたときに，どのように応力－ひずみ線図に影響を及ぼすかを明らかにする．さらに応力－ひずみ線図がひずみ速度あるいは温度にどのように依存するかを明らかにする．ひずみ速度と温度依存性については，温度－時間換算則が応力―ひずみ線図に適用が可能かを検討し，その結果に中間層を含めたナノ粒子充填の効果を導入することが可能かどうかについて検討する．
また平成29年年度の予備試験を実施したき裂進展特性について考察をすすめる．ゴム材料のき裂進展については，き裂先端の鈍化がゴム材料の靭性に大きく影響すると考えられ，き裂先端の形状と荷重の負荷状態の関係を明らかにする．また測定された応力－ひずみ線図から得られる構成方程式を使用して有限要素解析を実施し，き裂付近の応力場，き裂先端の形状により求め，き裂進展条件に及ぼす中間層を含めたナノ粒子充填の効果について考察を行う．
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| Causes of Carryover |
引張特性試験およびき裂進展特性試験の測定方法の検討について平成29年度に多くの時間を費やした．平成29年度内において，測定方法は確率したものと思われ，平成30年度において粒径の異なるシリカ粒子を様々な充填率で作製した複合材料の試験を実施することとなる．このため，試験片を数多く作製するための予算を準備する必要があり，次年度での使用額として予算を確保した．
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Research Products
(2 results)
