異方性材料のユニークな力学効果を利用した熱膨張制御

利用各向异性材料独特的机械效应控制热膨胀

• 批准号: 11875148
• 负责人: 若島 健司
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 1999
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1999 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11875148/
• 关键词: 複合材料; ガラス繊維; ポリプロピレン; 積層材; 熱膨張; 寸法安定性; 異方性; 材料設計

ある種の繊維強化プラスチック(FRP)積層板では、特定の面内方向について熱膨張係数(CTE)をゼロまたは負とする積層構成が可能である。従来、この特異熱膨張挙動は、軸方向のCTEが本質的に負である炭素繊維(CF)やケブラー繊維(KF)を用いたFRPについてのみ報告されており、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)系では報告例が全くない。本研究では、安価な汎用GFRPでも同様の挙動が見いだされれば、その工学的適用範囲はより広がるであろうと考え、単純な±θアングルプライ対称積層板を基本構成として、その可能性を検討した。一般に、FRP積層板のCTEは古典積層板理論により算定することができるが、この定式化では特異なCTEの発現要因が見いだしにくい。そこで、本研究では構成ラミナの弾性異方性に起因する垂直-せん断連成効果に着目してCTEの計算式を導き、±θ積層板が特異なCTEを呈するための諸条件、すなわち構成ラミナ及びマトリクスが有すべき熱弾性物性(弾性定数とCTE)、繊維体積率と配向角θについて、巨視力学と微視力学の両面から解析的検討を行った。その結果、(1)CF系やKF系の一方向ラミナで見られる繊維軸方向に負のCTEは必要条件ではなく、繊維と垂直方向のCTEが軸方向CTEよりも非常に大きければよいこと、(2)ガラス繊維(GF)を用いる場合、ヤング率ができるだけ小さくCTEができるだけ大きいマトリクスを選択すればよいこと、また、そのような樹脂としてポリプロピレン(PP)が有望であることを明らかにした。この予測を検証すべく、繊維体積率が一定(45%)で配向角θが異なる数種のGF/PP系アングルプライ対称積層板[(±θ)_2]_<sym>を作製し、室温から120℃の温度域で熱膨張挙動の配向角依存性を調べた結果、予測通り、θ=30°近傍で明らかに負のCTE(-8×10^<-6>/℃)が発現すること、さらに、θ=18°では45〜85℃の温度範囲で10^<-7>/℃オーダーのニアゼロCTEが実現できることを確認した。

A variety of fiber reinforced polymer (FRP) laminates are possible with a specific in-plane orientation such as thermal expansion coefficient (CTE). The CTE in the axial direction is essentially negative for carbon fiber (CF) and carbon fiber (KF). FRP is used to strengthen the CTE system. In this study, the basic structure and the possibility of using GFRP in general are discussed, and the application range of GFRP in engineering is discussed. The CTE of FRP laminates in general is calculated from classical laminate theory, and the main cause of CTE in FRP laminates is formulated. In this study, we investigate the causes of thermal anisotropy, vertical discontinuity, CTE, CT The results are as follows: (1)CF system and KF system have negative CTE requirements in one direction, negative CTE There is hope for the future. This prediction model is verified by adjusting the alignment angle dependence of several GF/PP systems with a constant (45%) dimensional volume fraction θ and a temperature <sym>range from room temperature to 120℃. The prediction model is verified by adjusting the alignment angle dependence of several GF/PP systems with a constant dimensional volume fraction θ and a constant (<-6>45%) dimensional volume fraction θ and a constant (45%) dimensional volume fraction θ<-7>.

项目成果

T.Ito: "Glass fiber/polypropylene composite laminates with negative coefficients of thermal expansion"Journal of Materials Science Letters. 18・17. 1363-1365 (1999)

T.Ito：“具有负热膨胀系数的玻璃纤维/聚丙烯复合层压板”材料科学快报18・17（1999）。