Impact resistance of 3D network materials learned from patterns in nature

从自然模式中学习的 3D 网络材料的抗冲击性

基本信息

批准号：
22K05767
负责人：
巽大輔
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kyushu University
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

木材は、内部に大きさや形状の異なる空隙を多数有した多孔質材料の一種である。その力学的性質は、他の多孔質材料と同様に、材料の空隙率あるいは密度と相関があることが知られている。しかし木材の空隙は、大きさや形状のみならずその分布等も複雑であり、これらのパラメータがそれぞれどのように材料の力学的性質に影響を及ぼすのかについては十分な理解が及んでいない。一方で、空隙の特徴を抽出したモデル材料の弾性率を検討した研究例では、モデル材料の弾性率が空隙の大きさおよび数に依存することが示されている。しかし、これらの研究は定性的議論の域を出ず、モデル研究の知見を木材に適用することは難しい。そこで本研究では、孔の大きさを系統的に変えたモデル材料を調製し、その力学的性質について検討した。材料にはUV硬化樹脂を用い、3Dプリンタによって円筒形の孔をくり抜いた円板状のモデルを作製した。孔の径を変化させることでモデル材料の体積分率を変化させ、それらを動的粘弾性測定に供して孔径と貯蔵弾性率の関係について検討した。円板（径40 mm、高さ5 mm）内に円筒(径r = 0.50, 0.75, 1.00 mm、高さ5 mm)状の孔を均等に空けたデータを、光造形3Dプリンタを用いてウレタンアクリレートにより造形した。2-プロパノールで洗浄および2次硬化後、造形したモデル試料を粘弾性測定に供した。測定は、動的粘弾性装置を用いて、貯蔵弾性率G'の角周波数ω依存性について線形領域内ひずみ（γ = 0.1 %）における動的粘弾性測定を行った。モデル試料の貯蔵弾性率G’ と体積分率φの関係を両対数プロットで表すと、両者の間に直線関係が得られた。すなわち、G' = Aφ^αで表される関係があることが示された。また、孔径rによってαの値が変化しており、α ～ r^-1であることが示唆された。

木材是一种多孔材料，内部有许多不同大小和形状的空隙。众所周知，与其他多孔材料一样，其机械性能与材料的孔隙率或密度相关。然而，木材中的孔隙不仅大小和形状复杂，而且分布也很复杂，并且尚不完全清楚这些参数中的每一个如何影响材料的机械性能。另一方面，对从中提取空隙特征的模型材料的弹性模量进行检查的研究表明，模型材料的弹性模量取决于空隙的尺寸和数量。然而，这些研究超出了定性讨论，并且很难将建模研究的结果应用于木材。因此，在本研究中，我们制备了具有系统变化孔径的模型材料，并检查了它们的机械性能。以UV固化树脂为材料，使用3D打印机制作出切出圆柱孔的圆盘状模型。通过改变孔径来改变模型材料的体积分数，并对体积分数进行动态粘弹性测量，以考察孔径与储能模量之间的关系。使用立体光刻 3D 打印机，使用丙烯酸酯建模，打印在圆盘（直径 40 毫米，高度 5 毫米）上均匀钻出的圆柱形孔（直径 r = 0.50、0.75、1.00 毫米，高 5 毫米）的数据。用2-丙醇清洗并二次固化后，对模型样品进行粘弹性测量。使用动态粘弹性装置在线性区域（γ = 0.1%）的应变下测量储能模量 G' 对角频率 ω 的依赖性。当模型样品的储能模量G'和体积分数φ之间的关系以对数图表示时，获得两者之间的线性关系。即，可知存在G'＝Aφ^α的关系。此外，α的值根据孔径r而变化，表明α～r^-1。