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Carbon-fiber reinforced polymer composite materials with shape memory ability: relationship between material structure and shape memory characteristics

具有形状记忆能力的碳纤维增强聚合物复合材料：材料结构与形状记忆特性的关系

基本信息

批准号：
22K05227
负责人：
猪股克弘
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

形状記憶高分子は、温度変化などの外部刺激により試料形状が自発的に変化する。一方、架橋高分子をマトリックスとし、炭素繊維を複合化した炭素繊維強化高分子複合材料（CFRPC）は、軽量・高弾性率・高強度などの特性から、航空機や自動車などの分野で構造材料として注目されている。本研究では、CFRPCが形状記憶材料としての特性を持つことに着目し、炭素繊維の剛性により形状変化時に大きな変形力を発現する形状記憶CFRPCの調製を行う。さらに、CFRPCの構造・物性と形状記憶特性の相関を明らかにし、様々な用途に応用可能な形状記憶CFRPCの設計指針を確立することを目的としている。2022年度は、以下の研究を行った。１．マトリックスとして架橋ポリメタクリル酸メチル（PMMA）を用い、架橋密度の異なるCFRPC試料を調製した。炭素繊維を複合化した試料ではPMMA単体に比べ、170℃のゴム状態での動的貯蔵弾性率が約3桁増大した。また、ガラス状態で一時的形状を固定化した試料をゴム状態に昇温した場合の形状回復過程では、複合化により回復速度が向上した。一方、架橋密度の高いCFRPC試料の方が高温での貯蔵弾性率が高いにもかかわらず、形状回復速度は低下することが分かった。２．マトリックスがゴム状態におけるCFRPCの性状を理解するため、マトリックスが室温でゴム状態の、炭素繊維強化エラストマーの調製を行った。得られた試料は、CFRPCであるにも関わらず曲げや捻じれによる大変形が可能で、かつ一般的な高分子エラストマーよりも10倍以上大きな貯蔵弾性率を示した。さらに、引張強度や引き裂きエネルギーの値も、マトリックス単体と比べて10倍以上増大した。また、マトリックスの化学構造の違いによる炭素繊維との間の接着性の違いを評価し、マトリックス‐炭素繊維界面の接着強度が機械的特性に与える影響についての知見を得た。

Shape memory polymers change in response to temperature and external stimuli, and the shape of the sample changes automatically. Carbon fiber reinforced polymer composites (CFRPC) have been widely used in many fields, such as aircraft, automobiles, and structural materials. In this study, CFRPC shape memory material characteristics of the maintenance of the purpose, carbon dimensional rigidity, shape change, large deformation force to develop shape memory CFRPC modulation. The structure, physical properties and shape memory characteristics of CFRPC are clearly defined and used for the purpose of establishing design guidelines for CFRPC. In 2022, the following research was carried out. 1. CFRPC sample modulation with different bridging density Compared with PMMA alone, the dynamic storage performance of the carbon fiber composite sample at 170 ° C increased by approximately 3%. The shape of the sample is fixed when it is in the state of heat. The shape recovery process is complex and the recovery speed is high. One side, the bridge density is high, the storage property of CFRPC sample is high, the shape recovery speed is low, and the other side is high. 2. CFRPC properties are understood at room temperature, and carbon fiber is enhanced at room temperature. The results show that the storage rate of the sample is more than 10 times that of the ordinary polymer. In addition, the tensile strength is 10 times higher than that of the original. The chemical structure of carbon fiber and the adhesion between carbon fiber and carbon fiber are evaluated. The adhesion strength of carbon fiber and carbon fiber interface is analyzed.