陽電子消滅法を用いた極低温における先進有機複合材料の評価

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極低温でも高い破壊靭性値を有する有機マトリックスの分子設計ができるようにすることが本研究の目的である。このため、まず問題点を明らかにする目的で、実際に使用されている各種マトリックス樹脂の破壊靭性値を室温(RT:298K)、液体窒素温度(LNT:77K)及び液体ヘリウム温度(LHeT:4.2K)で測定した。その結果、低いガラス転移点を持つ材料が必ずしも極低温で高い破壊靭性値を示すとは限らないことが明らかになった。そこで、極低温で破壊靭性値を規定する因子を明らかにする目的で陽電子消滅法を用いてそれらの材料を評価した。その結果、これらのマトリックスは大きく2種類に分けることが出来ることが明らかになった。即ち陽電子寿命から判断される自由体積が大きくなると破壊靭性値が大きくなる系と、自由体積が変化しても破壊靭性値は余り変化しない系である。考察の結果、前者は、分子の三次元編目構造が乱されている系、後者は三次元編目は組んでいるが編目の大きさが異なる系である(自由体積と区別するために自由空間と呼ぶ)ことが明らかになった。これらの材料の極低温における破壊靭性値は前者は極低温になると自由体積が無くなってしまうので大きく減少する。また、後者では亀裂は分子を切断して行かねばならず、それゆえ極低温で破壊靭性値は向上することが明らかになった。この結果、極低温用マトリックスとしては、三次元編目構造は組むが、架橋間分子量が大きい材料が望ましい。また、可塑剤等を使用することは望ましくないことなどが明らかになった。この設計指針を用いて、マトリックスを設計し、有機複合材料を製作可能であることを明らかにした。