航空宇宙用途における熱可塑性炭素繊維と熱硬化性炭素繊維の性能比較。
新千年紀に入ってから、現在普及しているガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維複合材料など、さまざまな新しい複合材料の研究と探索において重要な成果が上げられました。この記事では、「ブラックゴールド」として知られる炭素繊維とその複合材について紹介します。カーボンファイバーは 1 世紀以上にわたって存在しており、継続的な開発により、徐々にスポーツ用品や F1 レーシングカーに応用されるようになりました。現在主流となっている材料は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂などの熱硬化性樹脂を含む熱硬化性炭素繊維複合材料です。
熱可塑性炭素繊維複合材料は、航空宇宙用途により適しています。
炭素繊維とさまざまなプラスチックに関する研究が増えるにつれ、特殊プラスチックをマトリックスとして炭素繊維と組み合わせて使用すると、炭素繊維の高性能特性をよりよく活用できることが判明しました。連続炭素繊維強化熱可塑性複合材料が大量生産できれば、産業部門全体が恩恵を受け、航空宇宙や医療分野などのハイエンド産業が大幅な成長を遂げることになる。現在、炭素繊維エポキシ樹脂複合材料の高強度、低クリープ、高弾性率、低コストなどの利点が航空宇宙分野に適用できることが証明されています。ただし、脆性が高い、割れやすい、吸湿率が高いなどの弱点も明らかであり、用途に一定のリスクをもたらします。熱可塑性マトリックス材料を組み込むことで、これらの性能の欠陥に対処し、炭素繊維複合材料の新たな可能性を開くことができます。
ポリエーテル エーテル ケトン (PEEK)、ポリエーテル ケトン ケトン (PEKK)、ポリエーテル ケトン エーテル ケトン ケトン (PEKEKK)、ポリエーテル イミド (PEI)、ポリフェニレン サルファイド (PPS)、ポリアミド (PA) など、多くの高性能特殊プラスチックがあります。 ）。これらの熱可塑性マトリックス樹脂は、炭素繊維に優れた物理的構造と化学的特性を提供します。ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）を例にとると、ガラス転移温度（Tg）は約 150 度、融点は約 370 度であり、炭素繊維複合材料の高温耐性を大幅に向上させます。さらに、炭素繊維本来の特性をよりよく維持し、優れた強度、靱性、耐薬品性、耐溶剤性を確保します。 PEEK は優れた熱安定性、難燃性、低誘電率も備えており、将来の航空宇宙用途で非常に人気のある材料の 1 つとなっています。
航空宇宙用途向けの熱可塑性炭素繊維と熱硬化性炭素繊維の性能比較
研究チームは、航空宇宙用途向けの熱硬化性および熱可塑性炭素繊維複合材に関する詳細な研究を実施し、炭素繊維強化ポリエーテルケトン（PEK）複合材と炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材を比較しました。
1.炭素繊維強化ポリエーテルケトンプレート: この複合材料は、60% のカーボンファイバーと 40% のポリエーテルケトン (PEK) で作られたラミネートで構成されています。 11 層の PEK の間に配置された 10 層の双方向カーボンファイバーが特徴で、上部と下部の両方に PEK フィルムが付いています。積層された CF/PEK は、10 Bar の圧力下、410 度で 30 分間プレスされます。
2.炭素繊維エポキシ樹脂板: この複合材料はマトリックス材料として LY556 エポキシ樹脂を使用し、双方向カーボンファブリックで強化されています。室温で、HY951 硬化剤をエポキシ樹脂に添加し、100:12 の比率で混合します。炭素繊維強化材は 60 wt% に維持され、10 層の生地を使用した厚さ約 3 mm の炭素繊維エポキシ樹脂ラミネートが得られます。
3.テスト方法: 上記 2 種類の炭素繊維板について、引張試験、硬さ試験、破壊靱性試験を含む機械的性能試験を実施しました。さらに、両方のカーボンファイバープレートに対して、示差走査熱量測定 (DSC) および限界酸素指数 (LOI) テストを含む熱性能テストが実行されました。
4.パフォーマンステスト結果の表示:
A. 引張強さと弾性率: 炭素繊維強化ポリエーテルケトン (PEK) 複合材料の平均引張強度と弾性率はそれぞれ 425 MPa と 7.8 GPa ですが、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料の平均引張強度と弾性率はそれぞれ 311 MPa と 5.2 GPa です。炭素繊維強化 PEK 複合材料の破断伸びは 9.43% であるのに対し、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料の破断伸びは 11.32% です。
B. 硬度: 炭素繊維をマトリックスに添加すると、複合材料の全体的な硬度が増加します。これは、フィラーが塑性変形に対する耐性を強化していることを示しています。 PEK とエポキシ樹脂の硬度値はそれぞれ 87 と 85 で、対応する複合硬度値は 94 と 89 であり、有意な差はありません。
C. 破壊靱性: エポキシ樹脂の脆性により、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料の破壊靱性は、マトリックスの靱性が低下するにつれて低下します。対照的に、PEK マトリックスはより優れた靭性を示し、炭素繊維強化 PEK 複合材料の靭性が向上します。破壊靱性を計算する際に考慮される最大荷重は、SENB 試験で破壊する前に材料が耐えることができる最大荷重です。応力拡大係数 (Kic) が高いほど、靱性が高くなります。結果は、炭素繊維強化 PEK 複合材料の Kic が 13.71 MPa・√m であるのに対し、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料の Kic は 11.53 MPa・√m であり、前者の方が優れた性能を示しています。
D. 加熱および冷却時の熱挙動: DSC を使用して、加熱および冷却中のポリマー複合材料の熱転移を研究しました。マトリックスの溶融温度と結晶化温度を比較し、サンプル材料の溶融温度 (Tm)、結晶化温度 (Tc)、およびガラス転移温度 (Tg) を明らかにしました。
E. 限界酸素指数: 限界酸素指数 (LOI) のテストでは、両方のマトリックス材料に炭素繊維を組み込むと LOI が大幅に改善されることが示されています。データによると、エポキシ樹脂と PEK の LOI はそれぞれ 25 と 35 であるのに対し、炭素繊維複合材の対応する LOI は 32 と 47 であり、炭素繊維強化 PEK 複合材は顕著な改善を示しています。
研究者らは、テストを通じて、マトリックスとして PEK を使用した熱可塑性炭素繊維複合材料が、さまざまな性能指標においてエポキシ樹脂を使用した熱硬化性炭素繊維複合材料より優れていることを発見しました。データの大きな違いは、熱硬化性炭素繊維複合材料と熱可塑性炭素繊維複合材料の基本的な性能の違いを浮き彫りにし、特に航空宇宙などの先端分野における熱可塑性炭素繊維複合材料の膨大な応用可能性を示唆しています。
しかし、熱可塑性炭素繊維複合材料の採用が熱硬化性複合材料の採用よりもはるかに普及していないのはなぜでしょうか?これはそれぞれの処理技術と密接に関係しています。熱可塑性炭素繊維複合材料は高い加工温度を必要とし、溶融した熱可塑性樹脂が炭素繊維束に完全に含浸するのに苦労することがよくあります。このステップが完全に実行されないと、得られる熱可塑性炭素繊維複合材の機械的性能が、現在主流の熱硬化性炭素繊維複合材を下回る可能性さえあります。
