Construction of impregnation and damage progress model of composite material using recycled carbon fiber spun yarn

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05099
• Research Institution: Gifu University
• Principal Investigator: 仲井 朝美 岐阜大学, 工学部, 教授 (10324724)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: リサイクル炭素繊維 / 紡績技術 / 連続繊維化 / テキスタイル加工 / たて編物技術 / よこ編物技術 / 成形加工

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、リサイクルにより短繊維化された炭素繊維（CF）を、紡績技術により連続繊維 （糸）として中間材料化、さらに糸から織物、組物として基材化し、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を作製することであり、そのために必要な基礎的理論を構築することである。リサイクルCFは不織布等への適用にとどまっており、炭素繊維の優れた性能を十分に活かせていない。そこで、より高度な用途展開ができる連続繊維化に着目し、性能として優位となる用途展開を狙い、現在国内研究機関等で取組みがなされている廃CFRPからのCF分離・回収技術と連動させ、マテリアルリサイクルシステムの構築に繋げるものである。一方、不連続かつ撚り構造を有する炭素繊維集合体に対する含浸・損傷理論は確立されていないため、これらの理論体系を構築し、リサイクル連続繊維を用いた複合材料の成形性・テキスタイル加工性・力学的特性を考慮したモデル化をおこなう。
2021年度においては、リサイクル連続繊維の基材化技術の確立をおこなった。リサイクルにより短繊維化されたCFを、紡績技術により連続繊維として中間材料化することにより、織物等の基材化が可能となる。本研究では、不連続かつ撚り構造を有する炭素繊維集合体を繊維状中間材料とし、たて編物およびよこ編物技術を用いてノンクリンプファブリックを作製した。同時に、リサイクル連続繊維を用いた成形技術の確立をおこなった。具体的には、基本構造である一方向材料を成形対象とし、リサイクル連続繊維を用いた成形条件の最適化および成形技術を確立した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

紡績技術については大型設備が必要になるため、協力企業と共同開発をおこなっている。昨年度、コロナ禍で、設備の導入が大幅に遅れたため、リサイクル短繊維の連続繊維化技術の確立を目的としたが、その基礎技術の構築に留まった。一方、2020年度計画の遅れについては、2021年度上半期にて取り戻し、リサイクル短繊維の連続繊維化技術の確立をおこなうことが出来たため、当初の計画通り研究を進めることが可能となった。

Strategy for Future Research Activity

2022年度においては、リサイクル連続繊維を用いた複合材料の破壊メカニズムの解明とモデル化をおこなう。不連続かつ撚り構造を有する炭素繊維集合体を用いた複合材料に対する損傷理論は確立されていない。そこで、まず、リサイクル連続繊維を用いた複合材料の破壊メカニズムを解明する。具体的には、基本構造である一方向材料を成形し、静的引張試験のその場観察を行うことで、微視的損傷の発生および進展挙動を明らかにする。明らかとなった損傷進展挙動に対して、適用可能な破壊則を提案し、損傷進展挙動のモデル化をおこなう。モデルの有効性に関しては、紡績糸の構造、材料の組合せ、表面処理を変化させた系に対して適用することで検証する。

Causes of Carryover

【現在までの進捗状況】に置いて記載したように、2020年度の進捗状況に遅れについては2021年度上半期にて取り戻し、リサイクル短繊維の連続繊維化技術の確立をおこなうことが出来たため、当初の計画通り研究を進めることが可能となった。一方で、力学的特性の評価まで着手する予定で費用を計上していたが、年度末に基材作製がずれ込んだため、次年度使用額が生じた。2022年度上半期にて取り戻す予定となっており、経費についても使用する。