マイクロナノ3Dプリンティングは複合材料技術の革新を加速させる

出典: MF Precision

「材料の世代が変われば、設備の世代も変わる。材料の世代が変われば、イノベーションの世代も変わる」。複合材料産業は、戦略的かつ基盤的な産業として、さまざまな分野で革新的な実践を行うための重要な前提条件の 1 つです。科学技術と産業革命の新たな波の中で、複合材料技術は継続的に画期的な進歩を遂げ、新しい材料と新しい材料構造が次々と登場し、世界の複合材料産業は急速な成長傾向を示しています。

複雑な環境におけるハイエンド機器の厳しい用途と品質要件を考慮して、大規模で統合され、機能が統合された複合部品の研究開発の需要も高まっています。そのため、高精度 3D プリント技術を活用して、高精度、高性能、高効率の統合部品製造技術と設備を開発することが、産業発展の重要な方向となっています。

複合材料は、物理的および化学的特性が異なる 2 つ以上の物質から構成される多相固体材料です。材料の 1 つはマトリックスとして機能し、他の材料は強化相として機能します。マトリックスは通常連続しており、強化相は粒子、繊維、または積層体になります。強化相がマトリックスに埋め込まれていると考えられます。この複合材料の特性は、その構成材料のいずれの特性とも大きく異なります。

複合材料内のさまざまな材料は、性能面で互いに補完し合い、相乗効果を生み出します。そのため、複合材料の総合的な性能は、元の構成材料よりも優れており、さまざまな異なる要件を満たします。

Precedence Researchの統計と予測によると、世界の複合材料市場規模は2023年に1,118.9億米ドルと推定され、2023年から2032年までの年平均成長率は6.1%で、2032年までに約1,913.6億米ドルに達すると予想されています。

先進複合材料は、高比強度、高比弾性率、優れた設計性などの利点があり、高性能ポリマー複合材料、高温耐腐食構造材料、軽量高強度新材料、構造用セラミックスとその複合材料、積層造形材料などを含み、航空宇宙、自動車製造、エネルギー貯蔵、鉄道輸送などの分野の設備製造に広く使用されており、工業先進国が競争しなければならない戦略的な資源です。

最新の科学研究プロセスでは、相互浸透複合材料はその優れた機械的特性により広く使用されています。さらに強化されたパフォーマンスを実現し、その基礎となるメカニズムを解明するため。中国工程物理院の研究チームは、粘塑性ポリマーベースの3Dプリントされたシュワルツプリミティブ（P）細胞骨格に超弾性PDMSを充填することで、三連続IPCを設計および製造しました。P細胞骨格は、Mofangの精密表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3Dプリント技術（nanoArch® P150、精度：25μm）によって準備されました。

図1. 複合材料製造の概略図。研究チームは、IPCの圧縮性能、繰り返し性能、緩和性能に関する実験研究を実施しました。結果は、相互浸透ネットワーク構造により材料の圧縮特性が大幅に向上し、応力緩和と周期的軟化が減少することを示しています。 P セルと IPC の変形特性は、ユーザー材料サブルーチンに組み込まれたシミュレーションを実行することによって分析されました。実験データとシミュレーションデータを組み合わせることで、研究チームは IPC の変形メカニズムについての理解を深めました。研究により、PDMS充填により、主に次の3つの方法でtc-ipcの機械的特性が向上することがわかりました。1つ目は、外部荷重の一部を伝達すること、2つ目は、骨格の曲がりを制限して座屈を防ぐこと、3つ目は、P細胞骨格と相互作用して三軸応力状態での全体的な性能を向上させることです。これらの成果により、IPCの開発と応用が促進されました。

図 2. (a) P 細胞骨格と (b) 対応する TC-IPC の光学写真。したがって、粘弾性骨格に超弾性材料を充填して調製した TC-IPC は、耐荷重性を向上させ、粘弾性応答を低減し、複合材料の周期的軟化を軽減しました。この研究では、超弾性材料を粘弾性オープンハニカム構造に充填することで強化複合材料を得るという設計戦略を提案し、スケルトントポロジー、充填、スケルトン材料特性の統合のための新しい設計パスを提供しました。

複合材料技術とその産業の発展を加速することは、新たな品質生産性を形成するための重要な原動力と基盤であり、新たな優位性を構築するための重要な道でもあります。材料強国を築くには、基礎研究を強化する必要があります。BMF Precisionは、複合材料の革新を推進し、新材料研究を強化し、「産学研」のリソースを統合し、ハイエンド材料の重要なボトルネックを突破するお手伝いをし続けます。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118516

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