Carbon-fiber reinforced polymer composite materials with shape memory ability: relationship between material structure and shape memory characteristics

具有形状记忆能力的碳纤维增强聚合物复合材料：材料结构与形状记忆特性的关系

基本信息

批准号：
22K05227
负责人：
猪股克弘
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

形状記憶高分子は、温度変化などの外部刺激により試料形状が自発的に変化する。一方、架橋高分子をマトリックスとし、炭素繊維を複合化した炭素繊維強化高分子複合材料（CFRPC）は、軽量・高弾性率・高強度などの特性から、航空機や自動車などの分野で構造材料として注目されている。本研究では、CFRPCが形状記憶材料としての特性を持つことに着目し、炭素繊維の剛性により形状変化時に大きな変形力を発現する形状記憶CFRPCの調製を行う。さらに、CFRPCの構造・物性と形状記憶特性の相関を明らかにし、様々な用途に応用可能な形状記憶CFRPCの設計指針を確立することを目的としている。2022年度は、以下の研究を行った。１．マトリックスとして架橋ポリメタクリル酸メチル（PMMA）を用い、架橋密度の異なるCFRPC試料を調製した。炭素繊維を複合化した試料ではPMMA単体に比べ、170℃のゴム状態での動的貯蔵弾性率が約3桁増大した。また、ガラス状態で一時的形状を固定化した試料をゴム状態に昇温した場合の形状回復過程では、複合化により回復速度が向上した。一方、架橋密度の高いCFRPC試料の方が高温での貯蔵弾性率が高いにもかかわらず、形状回復速度は低下することが分かった。２．マトリックスがゴム状態におけるCFRPCの性状を理解するため、マトリックスが室温でゴム状態の、炭素繊維強化エラストマーの調製を行った。得られた試料は、CFRPCであるにも関わらず曲げや捻じれによる大変形が可能で、かつ一般的な高分子エラストマーよりも10倍以上大きな貯蔵弾性率を示した。さらに、引張強度や引き裂きエネルギーの値も、マトリックス単体と比べて10倍以上増大した。また、マトリックスの化学構造の違いによる炭素繊維との間の接着性の違いを評価し、マトリックス‐炭素繊維界面の接着強度が機械的特性に与える影響についての知見を得た。

由于温度变化等外部刺激，形状记忆聚合物会自发改变样品形状。另一方面，碳纤维增强聚合物复合材料（CFRPC）是由碳纤维与交联聚合物基体复合而成，由于其质量轻、弹性高，被用作飞机、汽车等领域的结构材料。模量和高强度受到关注。在本研究中，我们重点关注CFRPC具有形状记忆材料的特性，我们将制备形状记忆CFRPC，由于碳纤维的刚性，在改变形状时会产生很大的变形力。此外，我们的目标是阐明CFRPC的结构/物理特性与其形状记忆特性之间的相关性，并建立可应用于各种应用的形状记忆CFRPC的设计指南。 2022年，我们进行了以下研究。 1.使用交联聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为基体制备具有不同交联密度的CFRPC样品。在碳纤维复合材料样品中，170°C 橡胶状态下的动态储能模量与单独的 PMMA 相比增加了约三个数量级。此外，在将形状暂时固定为玻璃状态的样品加热至橡胶状态时的形状恢复过程中，通过复合提高了恢复速度。另一方面，研究发现，尽管在高温下具有较高的储能模量，但交联密度较高的CFRPC样品的形状恢复率较低。 2.为了了解基体处于橡胶状态时CFRPC的性能，我们制备了基体在室温下处于橡胶状态的碳纤维增强弹性体。尽管由 CFRPC 制成，但所得样品能够因弯曲和扭曲而产生较大变形，并且其储能模量比一般聚合物弹性体高 10 倍以上。此外，与单独的基体相比，拉伸强度和撕裂能值也提高了10倍以上。我们还评估了由于基体化学结构差异而导致基体和碳纤维之间粘合力的差异，并获得了基体-碳纤维界面粘合强度对力学性能影响的知识。