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

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。

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。