ボイド混入法による複合材料の熱膨張率制御に関する研究

熱膨張係数(CTE:Coefficient of Thermal Expansion)が広範囲に制御可能なことは複合材料の特長の一つである。通常、CTE制御の手段としては、強化繊維の種類、体積率、配向分布を制御する方法がとられているが、この他により広範にCTEを制御しえる付加的な方法があれば好都合なことはいうまでもない。本研究ではそのようなCTE制御法として、複合材料のマトリックス中に微小なボイドを分散させることによる方法を新たに提案した。まず、この方法の論理基盤を明かにするために、Eshelbyの方法に基づく解析モデルを用いて、複合材料のマトリックス中に微小なボイドを均一分散させることによりCTEを大幅に低下させることができ、このCTE低下現象が広く複合材料全般に効果的に現われることを理論的に示した。このCTE低下現象は、温度上昇場で発生する強化材の周の圧縮応力場によってマトリックス中のボイドが潰されるというメカニズムに基づくもので、ボイド及び強化繊維の組み合わせによっては、構成素材のCTEが正値であっても複合材料のCTEが負値になることも予測された。次に、上記のボイド効果の生起を実験的に実証するために、微粒子分散強化、短繊維強化、連続繊維(3D)強化、C/Cの4種類の複合材料のマトリックス中にボイドを分散させたものを作製し、CTEの実測値と理論的予測値との比較を行った。この結果、ボイド分散により実際に大幅なCTE低下が起こることが確認され、この低下量が解析モデルによって精度良くシミュレートできること、そして本研究の材料系ではCTE制御可能範囲は強化繊維のCTE程度までであること等を明かにした。このCTE制御法の特徴は、材料の強度・弾性率等の他の特性を変化させることなく、独立にCTEを制御できる点にあり、広範な適用が期待される。

熱膨張係数(CTE:Coefficient of Thermal Expansion)が広範囲に制御可能なことは複合材料の特長の一つである。通常、CTE制御の手段としては、強化繊維の種類、体積率、配向分布を制御する方法がとられているが、この他により広範にCTEを制御しえる付加的な方法があれば好都合なことはいうまでもない。本研究ではそのようなCTE制御法として、複合材料のマトリックス中に微小なボイドを分散させることによる方法を新たに提案した。まず、この方法の論理基盤を明かにするために、Eshelbyの方法に基づく解析モデルを用いて、複合材料のマトリックス中に微小なボイドを均一分散させることによりCTEを大幅に低下させることができ、このCTE低下現象が広く複合材料全般に効果的に現われることを理論的に示した。このCTE低下現象は、温度上昇場で発生する強化材の周の圧縮応力場によってマトリックス中のボイドが潰されるというメカニズムに基づくもので、ボイド及び強化繊維の組み合わせによっては、構成素材のCTEが正値であっても複合材料のCTEが負値になることも予測された。次に、上記のボイド効果の生起を実験的に実証するために、微粒子分散強化、短繊維強化、連続繊維(3D)強化、C/Cの4種類の複合材料のマトリックス中にボイドを分散させたものを作製し、CTEの実測値と理論的予測値との比較を行った。この結果、ボイド分散により実際に大幅なCTE低下が起こることが確認され、この低下量が解析モデルによって精度良くシミュレートできること、そして本研究の材料系ではCTE制御可能範囲は強化繊維のCTE程度までであること等を明かにした。このCTE制御法の特徴は、材料の強度・弾性率等の他の特性を変化させることなく、独立にCTEを制御できる点にあり、広範な適用が期待される。