2018 Fiscal Year Annual Research Report
Utilizing the Sacrificial Bonding Principle to Create Soft-Hard Composites with Toughness that Surpasses Metals and Novel Functions
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17H06144
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
グン 剣萍 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (20250417)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
黒川 孝幸 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (40451439)
野々山 貴行 北海道大学, 先端生命科学研究院, 特任助教 (50709251)
キング ダニエル 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (50794583)
中島 祐 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (80574350)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 複合材料 / 高分子材料 / ソフトマター / ゲル / 高強度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は主に、ハードマター相の犠牲結合が複合材料の強靭化に及ぼす効果を解明した。最初に、mmスケールの多様な二次元長方格子（犠牲結合）を設計し、高性能3Dプリンターによって作製した。次いで、高靱性の柔らかい材料をマトリックス相として格子と複合させ、巨視的なスケールでのダブルネットワーク複合体を創製した。二次元格子の骨格の太さを制御した実験より、引張試験における多段階の格子の破断（すなわち犠牲結合原理の発現）は、二次元格子の強度がマトリックスの強度を上回った場合に生じることが分かった。また格子の節の数を制御した実験より、節の数を増やすほど引張試験時における格子の破断イベント数が増えるために材料が強靭となるが、強靭性はある一定の値で頭打ちになることが分かった。さらに多様な材質による二次元格子を検討した結果、どのような材質を用いても複合材料は強靭になったことから、格子の化学的性質（例えば表面の接着性）は強靭化に大きな影響を及ぼさず、格子とマトリックスの力学物性の関係性が強靭化度合の決定の主要因であることが明らかとなった。
次いで、多様な二次元・三次元格子を設計し、格子のポアソン比を変化させた複合材料を創製した。骨格として、具体的には負のポアソン比を持つオーセチック構造や、正のポアソン比を持つハニカム構造などを用いた。引張試験結果より、複合材料の強度は格子とマトリックスのポアソン比のミスマッチが大きいほど高くなることが示唆された。偏光顕微鏡観察の結果、本現象は、複合材料の変形時、ポアソン比のミスマッチによりマトリックスが局所的に（巨視的な変形よりも）極めて大きく変形することによって引き起こされていることが示唆された。また、ポアソン比のミスマッチによりマトリックスが（通常では起こりえない）体積変形を強いられることも原因の１つではないかと考えられ、現在検証を進めている。
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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
当初の計画にあった、ハードマターの相の犠牲結合が複合材料の靭性に与える影響の解明をほぼ達成した。すなわち、犠牲結合原理の発現には両相の強度比が重要であること、またポアソン比のミスマッチによって強度が増大することを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究の中で、複合材料中のソフトマトリックスの粘弾性を変化させたときに、複合材料の力学物性が極めて大きく変化することが示された。またマトリックスの変形は一様ではなく、局所的な大変形部位が存在することが明らかとなっている。ここから、本現象（複合材料中における粘弾性効果の強い発現）は、マトリックスの粘弾性効果がこの局所的な大変形部位で極めて強く発現するために生じたと考えられる。このような視点から、今後はマトリックスの粘弾性効果が複合材料中で最大限に発揮されるような系の構築を行い、更なる複合材料の強靭化に努めたい。
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