「ナノステッチ」がより軽量で強靭な複合材料を可能にする(“Nanostitches” enable lighter and tougher composite materials)

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2024+-04-16 マサチューセッツ工科大学(MIT)

◆航空機の燃料消費と排出ガスの削減を目指して、エンジニアたちは先進コンポジット素材を使用して、より軽くて強い飛行機の開発に取り組んでいます。これらの素材は高性能繊維がポリマーに埋め込まれたもので、層間の亀裂が拡大しやすいという課題がありました。
◆MITの研究チームは「ナノスティッチング」という新技術を用いて、炭素ナノチューブを層間に成長させることで、層の剥がれやすべりを防ぎ、亀裂の拡大を抑制します。この技術により、薄層カーボンファイバーラミネートの亀裂耐性が最大60%向上し、航空機の安全性と耐久性が高まると期待されています。

<関連情報>

J-Integralによる実験的検証により、カーボンナノチューブ層間強化材を配置した薄板炭素繊維積層板の破壊靭性が向上することが明らかになった J-Integral Experimental Reduction Reveals Fracture Toughness Improvements in Thin-Ply Carbon Fiber Laminates with Aligned Carbon Nanotube Interlaminar Reinforcement

Carolina Furtado, Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen, Brian L. Wardle, and Pedro P. Camanho
ACS Applied Materials & Interfaces  Published:April 16, 2024
DOI:https://doi.org/10.1021/acsami.3c17333

Abstract

The Mode I, Mode II, and mixed-mode interlaminar failure behavior of a thin-ply (54 gsm) carbon fiber-epoxy laminated composite reinforced by 20 μm tall z-direction-aligned carbon nanotubes (CNTs), comprising ∼50 billion CNT fibers per cm2, is analyzed following J-integral-based data reduction methods. The inclusion of aligned CNTs in the ply interfaces provides enhanced crack resistance, resulting in sustained crack deflection from the reinforced interlaminar region to the intralaminar region of the adjacent plies, i.e., the CNTs drive the crack from the interlaminar region into the plies. The CNTs do not appreciably increase the interlaminar thickness or laminate weight and preserve the intralaminar microfiber morphology. Improvements of 34 and 62% on the Mode I and Mode II initiation fracture toughness, respectively, are observed. This type of interlaminar nanoreinforcement effectively drives crack propagation from the interface to within the ply where the crack propagates parallel to the interlaminar region, providing new insight into previously reported strength and fatigue performance increases. These findings extend to industries where lightweight and durable materials are critical for improving the structural efficiency.

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0501セラミックス及び無機化学製品
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