カーボン複合材料の耐損傷性を向上させる電界紡糸された短いナイロン 6 ナノファイバー

2023 年 3 月 21 日

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シンガポールのニューカッスル大学による

炭素繊維複合材料は、比強度と弾性率が高いため、好ましい構造材料です。 ただし、カーボン複合材料の積層構造と異方性の性質により、外部負荷の影響を受けやすくなります。 脆いマトリックスは面内外の特性を制御するため、層間の樹脂が豊富な領域は特にマトリックスの亀裂を生じやすくなります。 このような初期の損傷は、最終的にはモード II 荷重下での層間剥離などの寿命を制限する破壊に発展します。

亀裂の発生と伝播を阻止するためにいくつかの技術が採用されており、それによって複合材料の耐損傷性が向上しています。 最も有望なアプローチの 1 つは、体積に対する表面積の比率が高く、ミクロン スケールの亀裂に対抗できる能力があるため、ナノ粒子でエポキシを改質することです。 しかし、ナノ粒子は微細構造における凝集と複雑に関係しており、それが脆化による損傷の開始点として機能する可能性があります。

エレクトロスピニングされた短いナイロン 6 ナノファイバー (図 a) は、そのバルク機械的特性がエポキシのそれに匹敵するため、代替のエポキシ強化材として提案されました。 高表面積と高アスペクト比のナノファイバーは、エネルギー吸収界面とナノスケールの靭性機構を導入すると期待されていました（図b）。 製造には、ナノファイバーの紡糸と短縮、その後のエポキシの改質による真空袋詰めを使用した炭素繊維複合材料の製造が含まれます。 ASTM D6264/D6264M-17 に従って、サンプルは準静的押し込み荷重下でテストされました。

結果は、最適なナノファイバー濃度でピーク力、変位、および弾性靱性が 8.7、8.8、および 53% 向上することを示しました。 外部方向の損傷の拡大は抑制され、損傷面積はわずかに増加しました。 最適なナノファイバー濃度では、剥離領域が 12.6% 減少しました。 繊維の圧縮破壊の抑制と層間結合の強化により、優れた性能が得られると評価されました。

これらの新しく開発されたエレクトロスピニングされたナノファイバー強化カーボン複合材料は、航空宇宙、海洋および自動車用途で一般的に報告されている複合材料の耐損傷性が低いという古典的な問題に対処しようとしています。 耐損傷性の向上により、非破壊検査のコスト削減や安全率の低い複合構造の採用が期待されます。

この研究は、マレーシア工科大学先端複合材料センター（CACM）のウサイド・アーメド・シャキル氏が主導し、シュクル・ビン・アブ・ハッサン教授、ヤジッド・ビン・ヤヒヤ教授、ムハマド・アシラフ・ビン・ムハマド・リサール教授、アフマド・イリヤス・ビン・ラシュダン教授の6人のチームメンバーが支援した。 、マレーシア工科大学のマット・ウジル・ビン・ワヒット氏、マレーシア・パハン大学のモフド・ルザイミ・マット・レジャブ氏。 これはジャーナル「Polymer Composites」に掲載されました。

材料技術の専門知識を持つシンガポールのニューカッスル大学のケン・リム・ゴー准教授が、このプロジェクトの技術顧問を務めました。 ゴー准教授は、「炭素繊維複合材料は、その比強度と剛性が高いため、現在、航空機や自動車産業でよく採用されており、航空機や自動車の燃費とコスト効率を高めることができます。しかし、事故は必ず起こります。この問題が発生した場合、修理には材料や納期の面で多額の費用がかかる可能性があり、炭素繊維複合材料を改良して耐衝撃性を高めることが問題を軽減する鍵となります。

「チームが炭素繊維複合材の衝撃特性を改善するこの方法の開発に成功したことを本当に嬉しく思います。その方法と研究結果が発表されたことを本当に嬉しく思います。」

詳しくは： Usaid Ahmed Shakil ら、炭素繊維複合材料の耐損傷性を向上させるためのエレクトロスピニングされた短いナノファイバー、Polymer Composites (2023)。 DOI: 10.1002/pc.27246

シンガポールのニューカッスル大学提供