3D 織られた炭素繊維プリフォームで作られた多機能オーゼティックおよびハニカム複合材

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22593 (2022) この記事を引用

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三次元 (3D) 織物複合材料は、主に航空宇宙分野や自動車分野など、さまざまな産業分野で応用が見出され始めています。 3D 織物は、自動化された複合材料製造に備えた複雑でニアネットシェイプのプリフォームを形成するように設計できます。 3D 織りハニカム生地は、完成した複合材料に正と負のポアソン比などの追加機能を組み込むように設計されています。 この研究では、複合構造を製造する際の膨張挙動の影響を実証するために、さまざまな織り方設計を使用して複雑なハニカム構造を作成しました。 Jacquard UNIVAL 100 と 3072 6 k カーボンファイバートウのクリールを備えた Staubli 3D 製織システムを使用して、設計されたハニカム構造を製織しました。 硬質ポリエステルフォームインサートを使用して、3D 織布をハニカムおよびオーゼティックプリフォームに変換しました。 これらのプリフォームはエポキシ樹脂を使用して注入され、ハニカムおよびオーゼティック複合構造のセットを製造しました。 ベースラインのハニカム構造と比較すると、開発したオーゼティック複合材料は、引張試験と圧縮試験の場合、それぞれ - 2.86 と - 0.12 の負のポアソン比を示したことが証明されています。

多機能 3D 織物複合材料は、進行性の破損を通じてエネルギーを吸収すると同時に、破損の開始を超えて徐々に荷重プロファイルが減衰する能力を備えています 1,2。 したがって、衝突または衝撃荷重に耐える能力が設計要件である状況では、これらは非常に興味深いものとなります。 3D 織物複合材料は、さまざまな分野、特に航空宇宙および自動車用途で応用され始めています。 いくつかの OEM および Tier 1 メーカーがこれらの構造を積極的に調査しています。 航空宇宙分野では、3D 織物構造はすでにファンブレードやファンケーシングに使用されています。 開発は初期段階にあり、衝撃性能を改善し、構造の重量を最適化する機会がたくさんあります。 車、バス、電車などの車両に使用される衝突構造が正確に予測可能であり、製造が再現可能であることが重要です。 3D ウィービングを使用して、複合材料に追加の機能を追加する機会もあります。

3D ウィービングは専門的な活動であり、必要な研究を実施できるセンターはほとんどありません。 DORNIER や STAUBLI などの繊維メーカーは 3D 織機を製造していますが、複合材料用途向けの 3D 織物は現在初期段階にあります。 英国では、Sigmatex UK Ltd、M Wrights & Sons、Antich & Sons などの企業が 3D ウィービングを利用する社内機能を開発しましたが、そのような技術をサプライチェーン全体に導入するにはさらなる研究開発が必要です。 最近、シェフィールド大学 AMRC は、ギャップを埋めて業界を支援するために使用される 3D ウィービング機能を確立しました。

3D 織物プリフォームは、高度な複合材料の製造において多機能性を実証する機能を備えています。 3D 多機能構造の 1 つはオーゼティック機能であり、調査して業界に実証する必要があります。 これは拡張可能なハニカム型構造 3 の形になる可能性があり、これを織ってテストして、衝突、圧縮、衝撃などの高い損傷耐性を備えた機械的性能と潜在的に向上した機械的性能を示すことができます。 図 1 は、オーゼティック構造と従来のハニカム構造を幾何学的に比較したものです。つまり、張力にさらされたオーゼティック材料は、加えられた張力に対して横方向の寸法が増加します。 オーゼティック構造には、衝突状況において優れたエネルギー吸収などのいくつかの利点がありますが、予測可能な挙動を備えたオーゼティック構造を再現可能に製造するにはさらなる作業が必要です4。

張力がかかった従来のハニカム構造 (a) とオーゼティック構造 (b)。

ポアソン比。適用された荷重に垂直なひずみと、適用された荷重の方向の伸長ひずみ (または軸方向のひずみ) の比です。 標準材料のポアソン比 (\(\nu\)) は次のように表すことができます。

ここで、εt = 横方向のひずみ、εl = 縦方向または軸方向のひずみ、ΔL = 長さの変化、Lo = 初期長さ、ΔT = 幅の変化、To = 初期幅です。

従来のほとんどの材料は、正の縦方向ひずみと負の横方向ひずみを示すため、引張荷重下で正のポアソン比 (PPR) を示しますが、オーセティックスのようなスマート材料は逆の挙動を示し、負のポアソン比 (NPR) を示します。

ゴムや金属などの従来の材料は、伸ばされると横方向に収縮し、縦方向に圧縮されると横方向に伸びることが知られています。 このような素材には PPR が適用されます。 対照的に、NPR を備えた特殊な素材の中には、伸ばすと横方向に拡張し、縦方向に圧縮すると横方向に収縮するものもあります。 NPR を使用した材料は「オーセティックス」とも呼ばれます。これは、「増加する可能性のあるもの」を意味するギリシャ語の「オーセトス」に由来しています5。 オーセティックスは材料や構造である可能性があり、材料や構造の開発、動作の比較、性能のテストなど、さまざまな観点から文献で研究されています。

従来の材料と比較して、オーゼティック構造は多くの特性が向上しています。 せん断弾性率が高いため、せん断抵抗が優れています。 オーセチック材料は、耐圧痕性/耐衝撃性とエネルギー吸収特性を強化しています。 従来の材料に衝撃力が加わると、材料は衝撃点から遠ざかりますが、逆の挙動を示し、オーゼチック材料は衝撃点に向かって流れ、オーゼチック材料がへこみにくくなります。 また、破壊靱性の向上、亀裂成長耐性の向上、減衰抵抗の向上など、他の利点もあります。 これらの利点により、オーゼティック複合構造は、航空宇宙分野や自動車分野などの高価値製造分野で適切な用途を見つけることができます。 オーセティック複合材の欠点は、大規模な製造が難しいことです 5 が、この研究ではそのような困難に挑戦しました。

さまざまな材料スケールに基づいた新しいオーゼティック構造と材料を開発および調査するために、多くの研究が行われてきました。 例としては、オーゼティック繊維 6、7、オーゼティック ファブリック 8、9、オーゼティック フォーム 10、11、およびオーゼティック複合材料 12、13 が挙げられます。 このプロジェクトではオーゼティック織物複合構造が研究されています。 Zhou ら 14 は、3D 直交織物とポリウレタンフォームからなるオーゼティック複合材料を開発しました。 彼らは、オーゼティック複合材が NPR を示し、より低い圧縮応力でより減衰材料のように挙動するのに対し、非オーゼティック複合材はより高い圧縮応力でより硬い材料のように挙動することを証明しました。 別の研究では 15 の 3D 織物構造が製造され、地織りと結合糸の浮き長さが布地のオーステシティに及ぼす影響が調査されました。 一連の異なる 3D 直交織物構造が、地織りおよび結合糸の浮き長さを変更することによって、レピア ドビー織機で製造されました。 結果は、地織り糸と結束糸の浮き長さが等しく最大である 3D 織物材料が、より大きなオーゼティック挙動を示すことを示しました。 また、開発された複合材料の衝撃エネルギー吸収は、フロートの長さが増加するにつれて増加することが判明し、構造がオーゼティックであり、NPR を備えていることが正当化されました。 Zulifqar と Hu16 は、同じ構造で緩い織りと密な織りを組み合わせることにより、織られた生地がオーゼティックになる可能性があると報告しました。 彼らは、開発した生地が広範囲の引張ひずみにおいてよこ糸方向とたて糸方向の両方で NPR 効果を示すことを示しました。

この作品では、たて糸とよこ糸方向から供給される東レ T300-6 k 炭素繊維を使用して 3D ハニカム生地を製織するための Unival ジャカードなど、Staubli 3D 製織システムが利用されました。 ポリエステルフォームの助けを借りて、開発された 3D 織物は、従来のハニカム構造と新しいオーゼティック構造という 2 つの異なるプリフォームに変換されました。 この研究で調査された大型複合構造を製造するために、エポキシ樹脂を使用してプリフォームが注入されました。 引張試験と圧縮試験は、ポアソン比測定を通じてハニカムおよびオーゼティック複合構造の機能を評価するために実行されました。

炭素繊維 (CF)、熱硬化性樹脂システム、および硬質 PET フォームを使用して複合構造をプリフォームおよび製造しました。 それらのグレードと特性を表 1 に示します。

樹脂メーカーによると、T-Prime 130-1 は樹脂/硬化剤の重量% で 100/27 で混合され、乾燥プリフォームに注入されました。

EAT 織り設計ソフトウェアを使用して、複雑なハニカム構造を設計しました。 この研究で提案されたハニカム構造の概略図を図 2 に示します。このハニカム構造の単位セル (図 2) は、層数の異なる多数の平織りで構成されています。 単層織り（A）、二層織り（B、C）、四層織り（D）、三層織り（E）。

ハニカム構造 (A、B、C、D、E) は、異なる層数の平織りです。 1層（A）、2層（B、C）、4層（D）、3層（E）。

EAT ソフトウェアを使用して、まず色分けシステムが割り当てられ、次に提案されたハニカム構造を形成するために選択されたさまざまな織りデザインに割り当てられました。 以下の表 2 は、設計された構造内で定義されたさまざまなゾーンのピック数とピック密度を示しています。 図 3 は、Jacquard UNIVAL 100 用にインストールされたハニカム デザインの JC5 ファイルを含む、EAT が割り当てられた織り (赤、黄、緑のゾーン) を示しています。

表 2 に示すリピート ゾーン (赤、黄、緑) に使用される織りデザインは、EAT ソフトウェアからの JC5 出力ファイルを使用します。

この研究の主な目的は、NPR のオーゼティック構造などのスマートな機能を発揮できる 3D 織物複合構造を実証することです。 本研究で設計したハニカム構造（図2）をオーゼティック構造に変換すると図4のようになります。

オーゼティック構造。

3D 製織システム (クリール、ジャカード、織機、水平テイクオフ テーブル) を使用してハニカム生地を製造しました。 3D ウィービング システム (図 5) には、縦糸方向に 3072 本の炭素繊維トウが通され、同じ繊維が横糸方向にも使用されました。 くぼみあたり 16 個の端をリードを通して引き込みました。 3072 個のうち 128 個の端（両側から 64 個）にポリエステル（PET）糸が充填され、織物の両端をロックするための耳キャッチコードとして使用されました（図 6）。

3D ウィービング システムの概略図。

稼働中の 3D 織機。織機の後部 (左) で繊維が投入され、織機の前部 (右) で生地が生産されます。

表２によれば、３つの異なるピック密度（６、８、および１０ピック／ｃｍ）の３Ｄ織布のサンプルが製造された。 図 7 は、製造されたハニカム生地の写真の一部を示しています。左側はブランクサンプル、右側は開いた断面です。

3D ハニカム織物のサンプル。

エラーや試行を最小限に抑え、材料を節約するために、樹脂を注入する前に、柔らかいフォームインサート/コアを使用して織布をハニカム構造とオーゼティック構造に予備成形しました。 乾燥繊維プリフォーム構造は、その成形性と機能性、特にオーゼティック性の機能をテストするために作成されました。 フォームを適切な形状に切断し、布地のポケットに挿入しました。 ハニカム構造（図 8a）は、目標のプリフォーム形状を比較的簡単に達成しましたが、オーゼティック プリフォーム（図 8b）は、形状を保持するために追加のサポート（G クランプの形式）が必要でした。

乾燥繊維ハニカムプリフォーム (a) およびオーゼティックプリフォーム (b)。 オーゼティックプリフォームの手動試験の開始時（c）と終了時（d）の長さと高さの測定。

乾燥したプリフォームとして、オーゼティック構造の機能性をテストして、その負のポアソン比を確認しました。 手動引張試験中にスナップショット (図 8c および図 8d) が取得されました。 初期長さ（Lo）や高さ（To）などの縦方向および横方向のパラメータが測定され、図8c、dで強調表示されました。 ひずみは無次元であり、そのような測定は仮想定規を使用してオンラインで取得されたため、ここでは測定単位は無視されます。 縦方向および横方向のひずみとポアソン比を計算し、表 3 に示します。ポアソン比は負 (- 0.78) であることがわかり、プリフォームがオーゼティック挙動を示していることが確認されます。

織物構造は非常に複雑であるため、この研究では樹脂注入および真空袋詰め法が採用されました。 真空プロセス中に図 8 で使用した柔らかいフォームの押しつぶしや圧縮を避けるために、注入前にハニカム構造を予備成形するために代替の硬質で高密度の PET フォーム (Divinycell P150) を使用しました。 発泡インサートは、硬化後の離型を容易にするために剥離フィルムで包まれていました。 図 9a、b、c は、ハニカム構造とオーゼティック構造の両方の樹脂注入を含むハニカムプリフォームの袋詰めプロセスの例を示しています。 図 9 に示すように、特にプリフォーム全体の流れを促進するために、注入メッシュまたは樹脂流動補助材料 (青色) が使用されました。

ハニカムプリフォームの袋詰めプロセス (a) とハニカムの樹脂注入 (b) およびオーゼティック (c) アセンブリ。

この研究で製造された織物プリフォームの注入には、Gurit T-Prime 130–1 樹脂と硬化剤が使用されました。 これらの注入に使用される樹脂と硬化剤の混合比は、メーカーの TDS の規定に従って、重量で 100:27 でした。 表 4 に、使用した混合比をグラム単位で示します。 混合物を 10 分間脱気した後、注入が行われ、約 30 分で完了しました。 続いて、アセンブリを予熱したオーブンに移動し、60 °C で 3 時間硬化させました。 図 10 は、製造されたハニカムおよびオーゼティック複合構造の選択を示しています。

硬化したハニカム (上) とオーゼティック (下) の複合構造。

この研究で製造されたハニカムおよびオーゼティック複合構造のポアソン比を決定するために、機械的試験が実施されました。 平らなクーポンや円筒状のクーポンなどの従来のサンプルにもかかわらず、この研究で開発されたこのような複雑な構造のポアソン比を決定するために利用できる標準的な方法はありません。 インストロンの試験機を使用して、適切な制御を行い、力と変位のグラフを正確に決定しました。 2 つの複合構造に対して引張試験と圧縮試験が行われ、その結果については次のセクションで詳しく説明します。

試験前に、図 11 に示すように、オーゼティックサンプルとハニカムサンプルの長さと高さを測定しました。試験中の横方向変位の正確なオンライン測定を確実にするために、トランスデューサーを使用しました。 テストの繰り返しが記録され、最初と最後の横方向の変位を決定するために 2 つのスクリーンショットがキャプチャされました。 オーゼティック組織の場合、引張試験の開始位置（左）と終了位置（右）を図12に示します。

オーゼティック構造 (左) とハニカム構造 (右) の引張試験セットアップ。

オーゼティック構造の引張試験の開始位置（左）と終了位置（右）。

図 13a、b は、試験中に記録されたオーゼティック構造の縦方向 (L) および横方向 (T) の最大変位を示しています。 テストされた構造の複雑さと剛性により、テストの開始時にトランスデューサーが元の位置からわずかにずれていることがわかります (図 13)。 この位置ずれを克服するために、横方向の変位の測定値もグリッドの背景 (グラフ用紙) から記録されました。 行われた測定と上記の図から、得られた測定値を表 5 に示します。 試験された構造のポアソン比は - 2.86 であることがわかります。つまり、オーゼティック複合材は引張試験の場合に NPR を示しました。

オーゼティック構造の引張試験の場合に記録された縦方向 (a) および横方向 (b) の変位。

ハニカム構造体の場合の引張試験の開始位置と終了位置を図１４に示す。 引張試験中に記録されたハニカム構造の縦方向および横方向の変位を図 15a、b に示し、ポアソン比の結果を表 6 に示します。テストした構造のポアソン比は 8.10 であることがわかります。つまり、予想どおりです。ハニカム複合材は引張試験の場合に PPR を示しました。

ハニカム構造体の引張試験の開始位置（左）と終了位置（右）。

試験中に記録されたハニカム構造の縦方向 (a) と横方向 (b) の変位。

圧縮試験セットアップの場合、引張試験で使用したトランスデューサーの代わりに、横方向の変位の指標として定規が使用されました。 このテストでは、荷重方向の変化に応じて異なる記号が使用されました。 オーゼティックサンプルの場合、元の長さは 710 mm であり、元の高さは 170 mm であることがわかります。 ハニカムの寸法 do と ho はそれぞれ 787 mm と 160 mm でした。 図 16 に示すように、定規上の小さなセクションを強調表示して、長手方向の変位を測定しました。 図 16 にオーゼティック構造の圧縮試験の開始位置と終了位置を示します。 表 7 に、オーセチック複合材料の測定された変位、ひずみ、およびポアソン比を示します。 試験したオーゼティック構造のポアソン比は - 0.12 であることがわかります。つまり、オーゼティック複合材料は圧縮試験の場合にも NPR を示しました。 オーゼティック複合構造は、引張荷重および圧縮荷重下で NPR を示すことが証明されています。

オーゼティック構造の圧縮テストの開始位置 (左) と終了位置 (右)。

ハニカム構造体に関して、圧縮試験の開始位置と終了位置を図17に示します。 表 8 に、ハニカム複合材料の測定された変位、歪み、およびポアソン比を示します。 試験したハニカム構造のポアソン比は 0.11 であることがわかります。つまり、圧縮試験の場合、ハニカム複合材も PPR を示しました。

ハニカム構造体の圧縮試験の開始位置（左）と終了位置（右）。

要約すると、両方の試験機構 (引張と圧縮) の下で、オーゼティック複合構造は NPP (-2.86 & - 0.12) を示したのに対し、ハニカム構造は PPR (8.10 & 0.11) を示したことがわかります。 しかし、引張試験の場合、両方の構造で得られたポアソン比は、標準材料の通常の範囲 (-1 対 1) から外れていることがわかります。これは、この研究で開発された特定の構造が原因である可能性があります。

3D ハニカム構造はうまく織られましたが、乾燥した 3D 織物を予備成形して樹脂を注入するには、支持コア材料 (この場合はフォーム) の使用が必要でした。 乾燥繊維として、オーゼティック プリフォームを手動でテストし、そのオーセティック機能が首尾よく証明されました。 乾燥したプリフォーム (ハニカムおよびオーゼチック) にエポキシ樹脂を注入し、硬化したハニカムおよびオーゼチック複合材料を引張試験と圧縮試験で正常に試験しました。 ハニカム構造は、両方の試験方向 (引張と圧縮) で正のポアソン比 (PPR) を示しましたが、オーゼティック構造は負のポアソン比 (NPR) を示し、それによってスマートな機能性を示しました。 3D 織物スマート機能複合材料の概念が証明され、多機能 3D 織物複合材料が実証されます。 両方の構造で得られたポアソン比の値は、引張試験の場合、従来の材料の範囲外であることがわかります。

今後の作業としては、ハニカム/オーゼティック複合材料で作られた一般的なパネルやデモンストレーターを製造し、衝撃や衝突試験などのさまざまな応答を通じて機械的性能を調査することが推奨されます。 さらに、ハニカム構造の非常に高いポアソン比を新たな用途に利用できるかどうかをさらに調査する予定です。

この研究で実施されたテストの生データは、リクエストに応じて入手できます。ここにそのリンクがあります。 https://galalauni-my.sharepoint.com/:u:/g/personal/h_el-dessouky_gu_edu_eg/EYDA59Z5qIFFi5TMy7ojhwwBk3HBbKsli6CgsxejJpz_nQ?e=IkEtdb。

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ガララ大学理学部物理学科、ニュー・ガララ市、43511、エジプト

ハッサン・M・エル・デスーキー

複合センター、先端製造研究センター (AMRC)、シェフィールド大学、シェフィールド、S60 5TZ、英国

クリス・マクヒュー

マンスーラ大学理学部物理学科、マンスーラ、35516、エジプト

ハッサン・M・エル・デスーキー

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HE-D。 実験作業を実行し、結果の分析と議論を含む原稿を完成させました。 CHは3D織りデザインを作成し、この作品で使用される織り生地サンプルを作成しました。 両方の著者が原稿をレビューしました。

Hassan M. El-Dessouky への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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El-Dessouky、HM、McHugh、C. 3D 織られた炭素繊維プリフォームで作られた多機能オーゼティックおよびハニカム複合材。 Sci Rep 12、22593 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-26864-x

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受信日: 2022 年 10 月 24 日

受理日: 2022 年 12 月 21 日

公開日: 2022 年 12 月 30 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26864-x

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