2018 Fiscal Year Research-status Report
航空機構造への適用を目指した低コスト成形CNT層間強化型熱可塑性CFRPの研究
| Project/Area Number |
17K06948
|
|---|
| Research Institution | Kyushu University |
|---|
Principal Investigator |
宇田 暢秀 九州大学, 工学研究院, 教授 (20160260)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤ヶ谷 剛彦 九州大学, 工学研究院, 教授 (30444863)
永井 弘人 九州大学, 工学研究院, 助教 (50510674)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 航空宇宙工学 / 航空機構造 / 複合材料 / 低コスト成形 / 熱可塑性樹脂 / CNT |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)の低コスト成形法であるVaRTM(Vacuum assisted Resin Transfer Molding)法に関する研究を継続した。層うねりなどの成形初期不整を低減させるためにNCF(Non-Crimp Fabric)炭素繊維を用いてVaRTM法による成形を昨年度行ったところ、積層板には多くのボイドが残った。今年度はNCF炭素繊維からプリフォームを作製する工程（ホットコンパクション）を見直し、ボイドのない良好な複合材積層板を作製することができた。その積層板の衝撃後圧縮(Compression-After-Impact, CAI)強度を求める実験を行い、従来材に比較してCAI強度が8%向上した。
昨年度PBI(Polybenzimidazole)被覆単層CNTを熱硬化性エポキシ樹脂CFRP積層板の層間に添加することによってモードII破壊靱性値が250%向上したことを受けて、今年度はPBI被覆CNTを含有した熱硬化性エポキシ樹脂の引張特性を求めた。その結果、CNTを0.1重量%添加した場合、引張弾性率と引張強度が最大でそれぞれ17%、11%向上したが、樹脂を硬化させる前の樹脂粘性の増加が甚だしいため、均質なCNT含有樹脂を作製することが難しく、試験片本数5本の引張試験から得られた弾性率と引張強度の変動係数はそれぞれ6.4%、62.4%と、特に引張強度値のばらつきが大きい結果となった。
熱可塑性樹脂としてPPS(Polyphenylene sulfide)を選定し、成形時の冷却速度が樹脂の結晶化度と炭素繊維PPS複合材料の破壊靱性値に与える影響を調べた。冷却速度を1℃/minから300℃/minへ変化させたところ、樹脂の結晶化度は34%から23%へ低下し、モードIおよびモードII破壊靱性値はそれぞれ370%、210%上昇することが明らかになった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
CNTによる炭素繊維複合材料積層板の層間高靱化に関連して、今年度はPBI被覆単層CNTを熱硬化性エポキシ樹脂CFRP積層板の層間に添加してモードI破壊靱性値を測定した。昨年度行ったモードII試験とは異なり、モードI破壊靱性値の向上は得られなかった。供試体製作における昨年度との違いは、CNTのアスペクト比を300程度に揃えるために行うホモジナイズ処理および超音波処理時間を長くしたことである。しかしながら、この変更はCNTのかさの増加およびPBIイミダゾール基とエポキシ基の反応の促進を生じさせ、樹脂粘性の急激な上昇を引き起こしてしまい、「５．研究実績の概要」にも記載したように、均質なCNT含有樹脂を作製することが難しくなった。均質なCNT含有樹脂とならず樹脂中でCNTが凝集したことが、モードI破壊靱性値の向上が得られなかった原因と考える。問題解決の方法としては、CNT含有量を低下させることおよび超音波処理を行う際の樹脂温度の上昇を抑えることが考えられる。
NCF炭素繊維を用いたVaRTM積層板のCAI強度が8%上昇したことは「５．研究実績の概要」でも述べたが、この積層板の衝撃なし圧縮強度も従来材に比較して16%向上しており、VaRTM成形初期不整として発生する層うねりの改善にNCF炭素繊維は有用であることがわかった。VaRTMに従来用いている樹脂の改質が進めばVaRTM積層板の力学特性のさらなる向上が期待できる。
熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維複合材料の成形法は、「５．研究実績の概要」に示したように非常に速い冷却速度の場合でもPPS複合材料の成形を通して習熟した。また、PPSのような結晶性熱可塑樹脂では成形冷却速度が力学特性に大きな影響を与えることがわかった。
熱硬化性エポキシ樹脂に混練するCNTの表面処理法としてはPBI処理が非常に有益であることがわかったので、今後、熱可塑性エポキシ樹脂に対しても同様の効果を確認し、VaRTMを用いた低コスト成形熱可塑性CFRPを実現させる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
低コスト成形に用いる熱可塑性樹脂として、PPSと熱可塑性エポキシ樹脂の二つを候補材料とする。
PPSに関する研究としては、今年度に引き続き成形冷却速度がCFRP積層板の力学特性に与える影響を調べるが、次年度はCAI強度に与える影響および炭素繊維とPPSとの界面強度に与える影響を解明する。これらに関連する先行研究は本研究代表者が知る限り行われておらず、有用な知見をもたらすことが期待できる。
熱可塑性エポキシ樹脂に関してはすでに入手済みであり、「７．現在までの進捗状況」に示した方法等によってPBI被覆CNTを含有した熱硬化性エポキシ樹脂供試体製作上の問題を解決できることを確認した上で、同様の工程を熱可塑性エポキシ樹脂供試体製作にも適用してCNT含有熱可塑性エポキシ樹脂供試体を製作し、その引張弾性率や引張強度を求める。その際、平成29年度に購入することを見送った「ひずみ解析ソフトウェア」に代替できるようなひずみ計測システムを開発し、CNTに施したPBI被覆が熱可塑性エポキシ樹脂に対しても有効であることを確認する。
PBI被覆CNTを熱可塑性エポキシ樹脂CFRPの層間に配置した積層板をVaRTM法で成形し、その供試体を用いて力学特性、特にCAI特性を明らかにする。
PPSあるいは熱可塑性エポキシを用いたCFRP積層板のCAI特性が、航空機の一次構造に従来用いられてきた熱硬化性樹脂CFRPのCAI特性に匹敵するものになっているのかについて検討する。最後に、本研究で得られた低コスト成形CNT層間強化型熱可塑性樹脂CFRPを航空機構造へ適用することの有益性や適用限界等を議論し、熱可塑性樹脂CFRPの航空機一次構造への適用に備えるとともに、研究成果を報告書にまとめる。本研究によって得られた成果は国内外の学会講演会で適宜発表し、国際学術誌へ論文投稿する。
|
| Causes of Carryover |
平成29年度の研究実施計画では、熱可塑性樹脂に添加するCNTの表面処理法の有効性を確認するためにCNT添加樹脂の引張試験を行い、「ひずみ解析ソフトウェア」によって得られるひずみ分布を用いることとしていた。しかしながら、引張試験に用いる材料試験機の荷重表示が不安定になるという試験機の不具合が発生したため、「ひずみ解析ソフトウェア」の購入は断念し、材料試験機の補修費用に充てた。購入することを見送った「ひずみ解析ソフトウェア」に代替できるようなひずみ計測システムを開発するために、グラフテック株式会社製ひずみ計測ユニットを購入したが、ひずみ計測システムを構築するにはチャンネル数が不足しており、本研究最終年である次年度に繰越金をまとめることによってこのユニットを追加購入する計画とし、その購入費用の一部に充てる予定である。
|
