もっと強く、もっと軽く。ナノ結晶が拓く次世代高分子材料~金属ものづくりの知見を高分子へと活かす新発想~

2025-12-05 東京大学

東京大学・防衛大・東京農工大の共同研究チームは、結晶性ポリエチレンを熱延伸し結晶ラメラをナノメートルスケールへ微細化すると、実用マグネシウム合金に匹敵する 170MPa級の高強度 を示すことを発見した。金属材料では結晶粒を小さくすると強くなることが知られるが、この「微細結晶強化則」が高分子材料にも適用できることを初めて示した点が大きな成果である。電子顕微鏡観察と大規模シミュレーションにより、ナノ結晶化に伴い結晶間を橋渡しする分子鎖の数が増加し、それが強度発現のミクロ機構であることが判明した。熱延伸という簡便プロセスで制御できることから、自動車・大型輸送機部材を軽量化し、省エネルギー社会の実現に直結する新世代高強度高分子材料への応用が期待される。

もっと強く、もっと軽く。ナノ結晶が拓く次世代高分子材料~金属ものづくりの知見を高分子へと活かす新発想~
ナノ結晶化による高分子材料の高強度化の発見と、その強化メカニズムの解明

<関連情報>

半結晶性ポリマーを強化するためのナノ構造化 Nano-structuring for strengthening semi-crystalline polymers

Katsumi Hagita,Mamoru Endo,Daisuke Egusa,Hiromu Saito,Takashi Yamamoto & Eiji Abe
NPG Asia Materials  Published:05 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41427-025-00625-4

Abstract

Crystalline grain refinement is a highly universal technique for increasing the strength of metals and alloys, and recent challenges have explored the possible application of such fine-structuring effects to various types of materials. Recently, a remarkable strengthening phenomenon has been found for a semi-crystalline polyethylene with a crystalline/amorphous lamellar structure, whose tensile strength is increased by an order of magnitude after applying the pre-heat-elongation (PHE) process. Here we provide a series of unambiguous evidences that such toughening is indeed due to nano-structuring and not to an increase in crystallinity, as is commonly used for semicrystalline polymers. Electron microscopy observations as well as X-ray diffraction experiments clearly show that the PHE process introduces a remarkable ultrafine-mosaic (~10 nm) into the crystalline lamellae. Ultralarge-scale molecular dynamics simulations provide further insights at the molecular level that chain spreading leads to the development of nanocrystalline mosaics, where the amorphous tie-chains effectively bridge across the multiple nano-lamellae, thereby strengthening the polyethylene. We show that a crystalline-size effect on strength can be well described by the Hall-Petch type relationship of size-inverse dependence, a well-known empirical rule for strengthening metals/alloys, providing a novel strength-ductility tailoring method based on higher-order structure control (i.e., crystalline-size control) of semi-crystalline polymers.

0504高分子製品
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