| 研究課題/領域番号 |
19K05039
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26030:複合材料および界面関連
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| 研究機関 | 金沢工業大学 |
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研究代表者 |
遠藤 和弘 金沢工業大学, 高信頼理工学研究センター, 教授 (50356606)
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| 研究分担者 |
和田 倫明 金沢工業大学, 革新複合材料研究開発センター, 研究員 (30839593)
金原 勲 金沢工業大学, 産学連携室, 教授 (50011101)
瀬戸 雅宏 金沢工業大学, 工学部, 准教授 (90367459)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2021年度)
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| 配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | プラズマ / 直接接合 / 接合メカニズム / CFRTP / 非晶質樹脂 / 固体の熱力学 / 高性能プラズマ / 官能基 / XPS / CFRP / せん断応力 / プラズマアシスト・インサート射出成形法 / ＣＦＲＰ / 融点未満 / 官能基の長寿命化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
軽くて強い特長を持つCFRTPを金属の代替材料として使うためには、接合技術の開発が喫緊の課題である。我々は、プラズマ照射により樹脂表面へ導入した官能基の寿命が長いという特長を持つ新奇高性能プラズマを用いて、CFRTPの接合を、融点未満の温度で行い、36MPaという極めて強い接合強度を実現した。これにより、ボルト、接着剤、熱融着等の従来の接合法における問題点を解決した。本研究では、プラズマによる直接接合のメカニズムを調べ、最終的に直接接合に係る要因を明らかにして、実用化に向けて、(1)より低温で、(2)より低圧で、(3)より長くプラズマ照射効果が持続して、接合できるようにする。
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| 研究実績の概要 |
我々は、プラズマ照射により樹脂表面に導入した官能基の寿命が長い特長を持つプラズマを用いて、CFRTPの接合を融点未満の温度で行い、36MPaという極めて強い接合強度を実現し、ボルト、接着剤、熱融着等の従来の接合法の問題点を解決した。
温度については、世界で初めて、固体の熱力学的視点からプラズマによる直接説合のメカニズムを解明した。とくに融点Tm近傍のプラズマ接合では、高分子の鎖の距離が縮まり、このため熱力学的に予見される強度より、強い強度が得られることが分かった。そこで高分子の結晶性に係わるガラス転移点Tgに着目し、Tg前後の温度で、直接接合の有無を調べた。前回は、Tg前後の二点のみの温度でのデータだったため、今回は樹脂の種類と設定温度も増やして行った。その結果、PETのCFRTPについて、DSCやTMAで測定したTgは69℃であったが、予想に反し、Tg以上の100℃でも接合は起こらなかった。100℃を超えると接合強度の対数は接合の絶対温度Tの逆数に対し、直線的に上昇した。PPSのCFRTPでは、Tgは90℃であったが、予想に反し、それ以下の80℃でも接合した。PEEKのCFRTPはTgは143℃であったが、予想通り、ガラス転移点以下では接合しなかった。いずれのCFRTPも接合温度の領域では、接合強度の対数とTの逆数のプロットから、直接接合の自由エネルギー⊿Gとエンタルピー変化⊿Hが得られた。PPSとPEEKのCFRTPでは高温の高強度領域では、直線からずれて、接合強度は一定になり、CFRTP同士の接合面でないCCFRTPの母材が破壊していた。
前回の結果では、高強度接合について接合強度を示したが、今回は、中程度、低強度の接合についても、ロードセルを10kN、500Nと使い分けて測定し、プラズマによる各種CFRTP同士、CFRTPと金属との接合について定量的に示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
コロナ禍による感染予防のため、大学の規則で、実験時間や外部の関係者との対面での打ち合わせ等が制限され、従来のぺースで研究を進めることができなかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
プラズマ接合のメカニズムの解明するため、高温などの耐環境で使用できるエンジニアリングプラスチックスを中心に、まだ研究していない新しい材料に対象を広げ、同種マトリックスのCFRTP同士の接合、異種マトリックスのCFRTPの接合、CFRTPと金属等の異種材料の接合を行う。
今後は、この研究を通して、プラズマ接合の社会実装への展開を図る。その中でも、（１）インフラと（２）モビリティーに傾注している。（１）では、国内の橋梁は高度経済成長期に集中的に建設されたため、老朽化が深刻な事態になっている。（２）では、日本、欧州、米国において、自動車の排ガス・燃費規制は年々厳しさを増しており、軽量化と剛性が求められている。
そのため、我々のプラズマ照射による長寿命の官能基を付与した、高接着性CFRPシートを用いることに拠り、（1）では、橋梁補修・保護が容易になり、工程の削減・工期の短縮で人件費が削減、曲げ強度向上でメンテナンス費用削減、塩害や錆に強い。ターゲットユーザーは国や地方自治体、高速道路等の道路管理者、大手ゼネコンとそのネットワークを想定。（２）では金属との接合で、軽量かつ高強度の自動車ができる。ターゲットユーザーは自動車メーカー、成形加工メーカー、航空機メーカーを想定。
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