2021 Fiscal Year Research-status Report
Creation of thermoplastic CFRP with interlaced structure between layers compound in braid and press technology
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21K03804
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
喜成 年泰 金沢大学, 設計製造技術研究所, 教授 (90195321)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
立野 大地 金沢大学, 設計製造技術研究所, 助教 (30714159)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 繊維強化複合材料 / 組紐構造 / 中立糸 / 熱可塑性樹脂 / 炭素繊維 / マルチブレイダ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の申請時には、一方向に並べた炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたシート素材をテープ状に細く裁断したテープ（以下CFRTPテープ）を用いて、組紐成形によって中空パイプを編組し、その後加熱加圧によりFRPとして成形する予備実験により、4点曲げ試験による曲げ強度400MPa、弾性率50GPaを示す組紐製造条件を見出し、CFRTPの製造方法としての有望性は確認できていた。令和3年度は組紐の製造条件に工夫を加え、単純に組紐の層を重ねていく際に上層と下層との間にCFRTPテープが折れ曲がって重なることのないように、組紐1層の被覆率（カバーファクタ）を考慮して製紐条件を決定する手法を導入した。また、中空パイプの曲げ強度や弾性率を向上させるためにはパイプの軸方向に挿入する糸（中立糸）を可能な限り多く配置することが有効であることを定量的に明らかにし、これにより、曲げ強度800MPa、弾性率100GPaを示す組紐製造条件を見いだした。
一方、本研究では組紐の上層と下層の間にCFRTPテープの交錯構造を導入することで、樹脂の接着効果だけでなく、強化繊維による層間の補強効果を期待して曲げ強度1,000MPa、弾性率125GPaを目指している。そのために組紐の組糸経路を自由に設定できるマルチブレイダを用いる。マルチブレイダにおいて多数の層を重ねて編組するために必要なスピンドルを導入し、層間の組糸を交錯させる組紐製品の組織はできたが、現在入手可能な市販のCFRTPテープの厚みが0.044mmと薄いため、数層重ねただけではじゅうぶんな厚みを有するFRP製品が得られない問題点が明らかとなった。
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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
本研究の申請時には、CFRTPテープを用いて、組紐成形によって中空パイプを編組し、その後加熱加圧によりFRPとして成形する予備実験により、4点曲げ試験による曲げ強度400MPa、弾性率50GPaを示す組紐製造条件を見出し、CFRTPの製造方法としての有望性は確認できていた。
令和3年度は組紐の製造条件に工夫を加え、単純に組紐の層を重ねていく際に上層と下層との間にCFRTPテープが折れ曲がって重なることのないように、組紐1層の被覆率（カバーファクタ）を考慮して製紐条件を決定する手法を導入した。また、中空パイプの曲げ強度や弾性率を向上させるためにはパイプの軸方向に挿入する糸（中立糸）を可能な限り多く配置することが有効であることを定量的に明らかにし、これにより、曲げ強度800MPa、弾性率100GPaを示す組紐製造条件を見いだした。以上の成果について口頭発表を2件実施し、論文を1編投稿中である。
一方、マルチブレイダにおいて多数の層を重ねて編組するために必要なスピンドルを導入し、層間の組糸を交錯させる組紐製品の組織はできたが、現在入手可能な市販のCFRTPテープの厚さ44ミクロンと薄く、また、マルチブレイダによる複数の層の製紐にも（層数の）限界があるため、数層重ねただけではじゅうぶんな厚みを有するFRP製品が得られない問題点が明らかとなった。
以上の問題点への対策として、マルチブレイダにより多くの中立糸を挿入可能な機構を導入し、また、CFRTPテープを重ねてスピンドルの給糸機構に供給する装置を装着しつつあり、パーツの入手までは終わっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず令和4年度前半に、マルチブレイダに、より多くの中立糸を挿入可能な機構を装備する。さらに、CFRTPテープを重ねてスピンドルに供給する給糸機構を装着する。以上により、実用上じゅうぶんな厚みを有する、層間の組糸（CFRTPテープ）を交錯させる組紐製品を成形し、適切な熱間プレス条件により成形して、本研究で目標とするCFRTP製品を得る。強化繊維による層間の補強効果により、当初の目標値である曲げ強度1,000MPa、弾性率125GPaが得られるものと想定しているが、さらに目標値に達していない場合には、組紐組織や製紐条件、プレス条件等に試行錯誤の余地が残っているため、これらにもトライする。
また、本研究の申請時には、市販されているCFRTPテープの母材樹脂はPA6（ナイロン）のみであったが、我々の研究グループがこのような研究を推進していることが徐々に業界に知られ、現在、他の熱可塑性樹脂母材のCFRTPテープサンプルでのトライに関するオファーが複数企業からきている。PA6は炭素繊維との接着が良好で、先行して市販品が登場してきたが、PA6は吸水性・吸湿性が大きく、寸法安定性や機械的性質の観点から必ずしも万能な素材とは言えない。これらの他の熱可塑性樹脂母材のCFRTPテープについても製紐条件、プレス条件等を工夫して、当初の目標値の機械的性質を有するCFRTP製品を成形する。
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| Causes of Carryover |
研究の初年度に、既存設備であるマルチブレイダの製紐範囲を拡張するため、当該ブレイダのパーツであるスピンドルを多数購入予定であったが、これは他の予算により手配ができた。一方、組紐製品を熱間プレスするための金属製外型や内型であるシリコン樹脂製品の手配のために、当初想定していた以上に時間と経費が必要となることがわかってきたので、令和4年度以降の試作においても組紐製品を熱間プレスするための金属製外型や内型であるシリコン樹脂製品の手配のために経費を配分したい。
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