無機化合物複合化炭素繊維強化プラスチック製の酸素容器開発に向けた基礎研究

本研究は,ロケット用燃料タンクなどの液体酸素容器の構造材料に,軽量で高強度な特性をもつ炭素繊維強化プラスチック(以下,CFRPと略記)を適用することを目的として計画された.容器のCFRP化に伴う課題として,ガスバリア性や液体酸素と構造材料の適合性などが挙げられるが,本学では珪酸塩を主体とする無機化合物ガスバリアフィルム(クレースト)を複合化したCFRPを水素容器材料に適用する研究を進めており,酸素容器への応用も期待されている.そこで本研究では,CFRP製の酸素容器開発の第一段階として,ASTM(D2512-95)の規格に基づいたABMA型衝撃試験装置を開発し,液体酸素環境下における衝撃荷重作用時の発火反応性を検討した.その結果,以下の事が明らかになった.1. CFRP単体において発火が発生した.よって,CFRP単体をそのまま酸素容器の構造材料として用いることはできない.2. CFRPの構成材料である炭素繊維を試料とした場合,非常に大きな発火が発生した.また,CFRPのマトリクスであるエポキシ樹脂の代わりにエポキシ系接着剤を試料に用いた結果,発火はみられなかった.よって,炭素繊維を液体酸素に曝さないような工夫が必要であると考えられる.3. クレースト単体(HR膜積層,ST膜積層)を試料とした場合,発火はみられなかった.次に,CFRP表面にクレースト膜を貼り付けた結果,HR膜で発火が防止できたものの,ST膜では発火が防止できなかった.衝撃力が発生した際の膜のせん断や接着剤の選定について再検討する必要がある.4. CFRP表面にセラミックコーティングを施すことで,発火を防止あるいは軽減することができた.5. 米国XCOR AEROSPACE社が開発したフッ素重合体複合材料(Nonburnite)を入手し,試料として用いた結果,発火はみられなかった.今後,液体酸素適合性のある樹脂や被膜を選定し,成形方法についても検討する必要がある.

本研究は,ロケット用燃料タンクなどの液体酸素容器の構造材料に,軽量で高強度な特性をもつ炭素繊維強化プラスチック(以下,CFRPと略記)を適用することを目的として計画された.容器のCFRP化に伴う課題として,ガスバリア性や液体酸素と構造材料の適合性などが挙げられるが,本学では珪酸塩を主体とする無機化合物ガスバリアフィルム(クレースト)を複合化したCFRPを水素容器材料に適用する研究を進めており,酸素容器への応用も期待されている.そこで本研究では,CFRP製の酸素容器開発の第一段階として,ASTM(D2512-95)の規格に基づいたABMA型衝撃試験装置を開発し,液体酸素環境下における衝撃荷重作用時の発火反応性を検討した.その結果,以下の事が明らかになった.1. CFRP単体において発火が発生した.よって,CFRP単体をそのまま酸素容器の構造材料として用いることはできない.2. CFRPの構成材料である炭素繊維を試料とした場合,非常に大きな発火が発生した.また,CFRPのマトリクスであるエポキシ樹脂の代わりにエポキシ系接着剤を試料に用いた結果,発火はみられなかった.よって,炭素繊維を液体酸素に曝さないような工夫が必要であると考えられる.3. クレースト単体(HR膜積層,ST膜積層)を試料とした場合,発火はみられなかった.次に,CFRP表面にクレースト膜を貼り付けた結果,HR膜で発火が防止できたものの,ST膜では発火が防止できなかった.衝撃力が発生した際の膜のせん断や接着剤の選定について再検討する必要がある.4. CFRP表面にセラミックコーティングを施すことで,発火を防止あるいは軽減することができた.5. 米国XCOR AEROSPACE社が開発したフッ素重合体複合材料(Nonburnite)を入手し,試料として用いた結果,発火はみられなかった.今後,液体酸素適合性のある樹脂や被膜を選定し,成形方法についても検討する必要がある.