| 研究課題/領域番号 |
23K22622
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01351 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
山本 剛 東北大学, 工学研究科, 准教授 (30436159)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2024年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2023年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2022年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
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| キーワード | 多層カーボンナノチューブ / 複合材料 / マルチスケールメカニクス / 構造制御 / 力学的特性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
多層CNTは複合材料の強化材料として期待されているが，既存材料の力学特性を超える複合材料の創製には至っていない．その理由は，ナノ・ミクロ・マクロの「各スケールにおける構造と力学特性の関係」ならびに「スケール間の構造の結びつき」が明らかになっていないからである．本研究では，ML-MD法を用いて多層CNTの強度特性の支配構造を明らかにし，実験手法で目指すべきナノ構造を発見する．さらに，ミクロスケールの多層CNT紡績糸の強度特性との関係を見出すことを橋渡しとして，一方向多層CNT紡績糸プラスチック複合材料の強度予測手法を確立することでナノとマクロの結びつきを明らかにすることを目的とする．
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| 研究実績の概要 |
本研究は、多層CNT複合材料のナノ・ミクロ・マクロの「各スケールにおける構造と力学特性の関係」ならびに「スケール間の構造の結びつき」に着目したマルチスケールメカニクス研究基盤を世界に先駆けて確立することを目的としている。
ナノスケールにおける構造と力学特性の関係を明らかにすることを目的として、機械学習支援分子動力学シミュレーション法を用いて多層CNTの構造パラメータである、カイラリティー、中空空間寸法(内径)、層数、層間架橋結合密度の組合せの中から最も大きな公称引張強度が得られる最適ナノ構造の探索を行った。その結果、多層CNT単味の公称引張強度に最も大きな影響を及ぼすナノ構造は多層CNTを構成する最外層とその内側の層間の架橋結合密度であることを明らかにするとともに、実験研究で目指すべきナノ構造を明らかにした。
「一方向繊維強化プラスチックのマイクロメカニクスモデルに基づく引張強度予測手法を多層CNT複合材料に適用することができるか？」の命題に対して明確な答えを提示することを目的として、引張荷重環境下における大気環境ならびにマトリクス樹脂環境でのCNT糸の破壊挙動の評価を行った。その結果、多層CNT複合材料の引張強度予測に必要なマトリクス樹脂環境でのCNT糸の強度分布の取得に成功するとともに、従来の一方向繊維強化プラスチックで観察されている、破断繊維に隣接する健全繊維が早期破断を生じる現象が、CNT糸複合材料でも生じる可能性が示された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
交付申請書に記載した初年度の研究実施計画に対して、研究業績の概要で記載した成果を上げることができており、おおむね順調に進展していると判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究を遂行する上で特に大きな問題点はない。したがって、令和5年度も研究計画調書に記載した4つの研究課題をスケジュールに沿って遂行をしていく予定である。特に、初年度の研究で、多層CNT単味の公称引張強度特性に着目した構造最適化手法を確立することに成功していることから、今年度は、多層CNT単味の構造最適化手法を多層CNT糸の構造最適化手法へ発展させる。具体的には、多層CNT単味の構造パラメータに多層CNT糸の構造パラメータである、撚り角、CNT本数ならびにCNT間架橋結合密度を加えた構造最適化手法を確立することで、ナノスケールとミクロスケール間における構造と強度特性との関係を明らかにする。
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