Hierarchical Heterogeneity and Plastic Mechanics of Thermosetting Composites

熱硬化性樹脂はフィラーと複合化した状態でしばしば使用される。しかしながら、フィラー界面近傍では一方の成分が濃縮し、化学量論から逸脱した状態で硬化反応が進行するため、フィラーの効果が十分に発揮されているとは言い難い。本研究では、ナノ物性マッピング解析に基づき、熱硬化性コンポジットのフィラー界面の存在が不均一性、ひいては応力分布、靭性や破壊挙動に与える影響を明らかにすることを目的とした。令和4年度に実施した具体的な項目と主な研究成果を以下にまとめる。(1) 本年度は、装置を新たにセットアップし、直径7 nmの量子ドットの熱運動の追跡に成功した。標準サンプルとして、ポリアクリルアミドゲル中に量子ドットを分散させ、ある一定のひずみでゲルを伸長した状態で量子ドットの熱運動を追跡したところ、異方的な熱運動が確認された。異方性の程度は、測定場所に依存して異なることも明らかになった。(2) フィラー界面近傍には、一方の成分が濃縮することが知られている。そこで、界面近傍のモデル試料として、エポキシとアミンの化学量論比を変えたエポキシ硬化物を作製した。ガラス転移温度と質量密度は、アミン分率の増加に伴い減少した。引張試験を実施したところ、破断ひずみ、ひいては靭性は、アミン分率の増加に伴い増加し、最大値に達した後、減少した。現在、全原子動力学分子シミュレーションに基づき、ネットワーク構造とその不均一性を検討中である。(3) シリカをフィラーとして用い、シリカ分率を変えたエポキシ硬化物を作製した。ガラス転移温度は、シリカ分率にほぼ依存しなかった。一方、ヤング率および降伏応力は、シリカ分率の増加に伴い、増加した。しかしながら、ヤング率の値は、エポキシマトリクスとシリカの2成分を仮定した予測値に比べて小さいことから、シリカ界面近傍には脆弱層が存在することが示唆された。

熱硬化性樹脂はフィラーと複合化した状態でしばしば使用される。しかしながら、フィラー界面近傍では一方の成分が濃縮し、化学量論から逸脱した状態で硬化反応が進行するため、フィラーの効果が十分に発揮されているとは言い難い。本研究では、ナノ物性マッピング解析に基づき、熱硬化性コンポジットのフィラー界面の存在が不均一性、ひいては応力分布、靭性や破壊挙動に与える影響を明らかにすることを目的とした。令和4年度に実施した具体的な項目と主な研究成果を以下にまとめる。(1) 本年度は、装置を新たにセットアップし、直径7 nmの量子ドットの熱運動の追跡に成功した。標準サンプルとして、ポリアクリルアミドゲル中に量子ドットを分散させ、ある一定のひずみでゲルを伸長した状態で量子ドットの熱運動を追跡したところ、異方的な熱運動が確認された。異方性の程度は、測定場所に依存して異なることも明らかになった。(2) フィラー界面近傍には、一方の成分が濃縮することが知られている。そこで、界面近傍のモデル試料として、エポキシとアミンの化学量論比を変えたエポキシ硬化物を作製した。ガラス転移温度と質量密度は、アミン分率の増加に伴い減少した。引張試験を実施したところ、破断ひずみ、ひいては靭性は、アミン分率の増加に伴い増加し、最大値に達した後、減少した。現在、全原子動力学分子シミュレーションに基づき、ネットワーク構造とその不均一性を検討中である。(3) シリカをフィラーとして用い、シリカ分率を変えたエポキシ硬化物を作製した。ガラス転移温度は、シリカ分率にほぼ依存しなかった。一方、ヤング率および降伏応力は、シリカ分率の増加に伴い、増加した。しかしながら、ヤング率の値は、エポキシマトリクスとシリカの2成分を仮定した予測値に比べて小さいことから、シリカ界面近傍には脆弱層が存在することが示唆された。