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。

形状记忆聚合物形状的形状自发地改变了由于外部刺激（例如温度变化）而引起的样品形状。另一方面，将碳纤维增强聚合物复合材料（CFRPC）（CFRPC）使用作为基质并结合了碳纤维，它作为飞机和汽车领域中的结构材料引起了人们的注意，因为它的特性（例如轻量级，弹性和高强度和高强度）。在这项研究中，我们将重点放在CFRPC作为形状记忆材料的特性上，并准备形状记忆CFRPC，当由于碳纤维的刚性而变化时，它们表现出较大的变形力。此外，目的是阐明CFRPC的结构和物理属性与形状内存属性之间的相关性，并为形状内存CFRPC建立设计指南，这些指南可应用于各种应用程序。在2022年进行了以下研究：1。使用甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为基质制备具有不同交联密度的CFRPC样品。在由碳纤维复合材料制成的样品中，与仅PMMA相比，在170°C的橡胶状态下，动态存储模量在橡胶状态下增加了约三个数量级。此外，当将固定在玻璃状态的临时形状的样品加热到橡胶状态时，通过组合样品来提高恢复速度。另一方面，发现具有较高交联密度的CFRPC样品在高温下具有较高的存储模量，但形状恢复速度降低。 2。为了了解基质橡胶状态下CFRPC的特性，制备了碳纤维增强的弹性体，其中基质在室温下在基质的橡胶状态下处于橡胶状态。所获得的样品为CFRPC，但由于弯曲或扭曲而能够变形，并且显示出比典型聚合物弹性体的储存模量大于10倍以上。此外，与单独的基质相比，拉伸强度和泪能值也增加了10倍以上。此外，评估了由于基质化学结构的差异而导致的碳纤维之间的粘附差异，并获得了有关基质 - 碳纤维界面对机械性能的粘附强度的影响的知识。