2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of 3-dimensional isotropic fiber-reinforced plastics by using sea urchin-like carbon particles
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21K04663
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
内藤 圭史 岐阜大学, 工学部, 助教 (50759339)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
隈部 和弘 岐阜大学, 工学部, 助教 (80456706)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ウニ状炭素粒子 / 炭素繊維 / 化学気相成長法 / 繊維強化プラスチック |
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| Outline of Annual Research Achievements |
繊維強化プラスチック（FRP）の欠点は，繊維が配向してない方向に弱いことである．この欠点を改善するためには，繊維を全方向に配向させる（つまり，等方性FRPを作製する）必要があるが， 3次元（面内＋面外）等方性FRPの作製は樹脂流動を伴う成形で有ろうと無かろうと極めて困難と言える．この様な状況に対し，申請者はウニ状炭素粒子を活用し，樹脂流動を伴う成形であっても，3次元等方性FRPを創生する本研究を着想した．まず，ウニ状炭素粒子を作製し，その際の作製条件と粒子形状の関係を見出したうえで，ウニ状炭素粒子充填樹脂を押出・射出成形し，その成形条件と3次元各方向に対する力学特性の関係を明らかとする．また，成形条件が充填材の分散状態や形状（損傷）に与える影響にも着目し，3次元等方性FRP作製のための最適成形条件を解明する．本研究は，樹脂流動を伴う成形であっても3次元等方性FRPの創生が可能かを問い，これを解明するものとなる．
初年度は，ウニ状炭素粒子充填材の作製（作製条件と粒子形状の関係解明）を目的とした．ウニ状炭素粒子の作製については，現状において唯一の報告例である江頭らの方法（化学気相成長法（CVD）を用いて炭素粒子表面に炭素繊維を生やすことによりこれを得る）を参考とした．但し，この方法によって得られる粒子は，繊維部分のアスペクト比や直線性等の観点において複合材料の充填材として適切とは言えない．そのため，まずはそれらの点の改善のために，作製条件（原料ガスの種類，温度）と炭素粒子上に生成される繊維の形状との関係を調査し，その一部を明らかとした．また，全くの偶然ではあるが，研究の過程において，炭素粒子上にカーボンナノコイルや炭化タングステンが生成する条件も見出した．
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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
初年度は，ウニ状炭素粒子充填材の作製（作製条件と粒子形状の関係解明）を目的とした．ウニ状炭素粒子の作製については，現状において唯一の報告例である江頭らの方法（化学気相成長法（CVD）を用いて炭素粒子表面に炭素繊維を生やすことによりこれを得る）を参考とした．但し，この方法によって得られる粒子は，繊維部分のアスペクト比や直線性等の観点において複合材料の充填材として適切とは言えない．そのため，まず，それらの点の改善を試みた．予備実験では耐熱性の観点から，反応管に石英ではなくインコネルを用いたが，インコネルが触媒成分を含むため，反応管壁面に炭素が生成してしまうなどの問題があった．そこで，初年度は反応管に石英を用いるシステムを導入した．その結果，上記の様な損失がなくなったため，作製条件（原料ガスの種類，温度）と炭素粒子表面に生成される繊維形状との関係を効率的に調べることができた．これにより，その関係の一部を明らかにできたうえ，全くの偶然ではあるが，炭素粒子上にカーボンナノコイルや炭化タングステンが生成する条件も見出すことができた．以上より，本研究はおおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に得られた粒子は，依然として繊維部分のアスペクト比や直線性等の観点において複合材料の充填材として理想的とは言えない．また現状では，炭素粒子表面に生成される繊維の形状制御も不十分である．そこで本年度はこの点の改善に取り組むとともに，作製したウニ状炭素粒子を充填したFRPを作製し，その力学特性を3次元各方向に対し評価する．具体的には，樹脂流動を伴う成形法（押出もしくは射出）より成形したFRPブロック体からXYZの各方向（射出成形の場合は成形品の肉厚が薄いためXYの2次元）に対して試験片を切り出し，それら各々の引張試験を行う．その際，特に，FRPの力学特性の等方性（XYZ各方向の強度や弾性率の比率）および充填材形状（繊維部分のアスペクト比等）とFRPの力学特性（3次元）の関係に注目し，これらを解明する．
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