薄肉構造: 3D プリントされた同軸連続ハイブリッド繊維強化複合材料のハイブリッド効果

出典: 複合材料力学

連続繊維強化複合材料は、比強度と比弾性率が高いという利点があり、航空宇宙などの分野で広く使用されています。しかし、単一の連続繊維強化複合材料は 1 種類の繊維の強化特性しか持たないため、多重負荷や複雑な動作条件での複合部品の使用は大幅に制限されます。 2023年7月、学術誌「Thin-Walled Structures」に、青島理工大学と山東省付加製造工学技術研究センターのチームによるハイブリッド連続繊維複合材料の機械的特性に関する研究論文がオンライン掲載されました。論文のタイトルは「3Dプリントされた同軸連続ハイブリッド繊維強化複合材料のハイブリッド効果」です。本論文では、連続炭素繊維とアラミド繊維を3Dプリントノズルに同時に供給することで、金型を使わずにハイブリッド複合材料を迅速に統合的に製造することを実現する、新しいタイプの同軸ハイブリッド連続繊維強化複合材料について報告します。

本論文では、主に曲げ、耐衝撃性、破損モード、ハイブリッド効果を研究し、3Dプリント同軸ハイブリッド繊維複合材料は総合性能が高く、ハイブリッド効果が高いことを発見しました。印刷パラメータを変更することで、繊維含有量と界面特性を調整し、3Dプリントハイブリッド繊維複合材料の機械的特性を制御できます。

はじめに<br /> 本論文では、まず3Dプリントされた同軸ハイブリッド連続炭素繊維複合材料（図1参照）の曲げ性能を分析し、曲げ応力-ひずみ曲線が1.弾性段階、2.降伏段階、3.破壊段階の3段階に分かれていることを発見しました。スキャン間隔が狭くなるにつれて、3Dプリントされたハイブリッド繊維複合材料の破壊荷重と破壊ひずみが徐々に増加し、複合材料の延性が向上します。 3点曲げ試験では、3Dプリントハイブリッド繊維複合材料の曲げ強度と曲げ弾性率は、スキャン間隔の減少とともに徐々に増加することがわかりました。スキャン間隔が0.6mmのとき、曲げ強度と曲げ弾性率はそれぞれ最大値（338MPaと26.5GPa）に達します。複合材料試験片の破断断面を分析すると、3Dプリントハイブリッド繊維複合材料は主に圧縮側で繊維破断、引張側で繊維引き抜きが発生しており、スキャン間隔の減少とともに引き抜かれた繊維の数は減少しています。

図 1 走査間隔が同軸ハイブリッド炭素/アラミド繊維強化複合材料の曲げ特性に与える影響: (a) 走査間隔が異なる試験片の曲げ応力-ひずみ曲線、(b) 3D プリント試験片の曲げ強度と曲げ弾性率に対する走査間隔の影響、(c) 曲げ損傷モード、(d) 破断断面の表面図、(e) 破断断面の側面図、(f、g、h) 試験片の破断断面の平行図。走査間隔はそれぞれ (f) 1.0 mm、(g) 0.8 mm、(h) 0.6 mm。
次に、3Dプリントされた同軸ハイブリッド連続炭素/アラミド繊維複合材料の衝撃性能分析を実施しました（図2を参照）。単純支持梁衝撃試験により、スキャン間隔が狭くなるにつれて、ハイブリッド繊維複合材料の衝撃強度が徐々に増加し、スキャン間隔0.6mmで最大値172kJ/m2に達し、スキャン間隔が狭くなるにつれて繊維引き抜き長さとサンプルの変形度が減少することがわかりました。

図 2 3D プリントされた同軸ハイブリッド炭素/アラミド繊維強化複合材料の衝撃特性に対するスキャン間隔の影響: (a) 衝撃強度に対するスキャン間隔の影響、(b) 1.0、(c) 0.8、(d) 0.6 mm のスキャン間隔の場合の (b、c、d) 衝撃損傷パターン、(e、f、g) スキャン間隔が (e) 1.0、(f) 0.8 mm、(g) 0.6 mm の場合の断面平行図。ハイブリッド効果は、3D プリントされた同軸ハイブリッド連続炭素/アラミド繊維複合材料のハイブリッド結果を評価するために使用されます。図3に示すように、ハイブリッド繊維強化複合材料の曲げ強度、曲げ弾性率、衝撃強度とスキャン間隔の関係を示しています。3Dプリントハイブリッド繊維複合材料の衝撃強度は、異なるスキャン間隔で高い正のハイブリッド効果を示し、ハイブリッド効果の値は1.0〜0.7mmのスキャン間隔内で徐々に増加し、0.6mmで減少します。これは、この時点でのハイブリッド繊維複合材料の界面性能が弱いためである可能性がありますが、曲げ強度と曲げ弾性率のハイブリッド効果は0に近く、正のハイブリッド効果は明らかではありません。これは、交絡効果がさまざまな負荷に対して異なる反応を示すという事実によるものです。

図 3 3D プリントされた同軸ハイブリッド連続炭素/アラミド繊維強化複合材料の衝撃強度、曲げ強度、曲げ弾性率のハイブリッド効果に対するスキャン間隔の影響 3D プリントされたハイブリッド連続炭素/アラミド繊維複合材料の機械的特性を分析するために、3D プリントされた複合材料の繊維含有量とハイブリッド比を分析しました。図4aに示すように、連続繊維強化複合材料の繊維含有量と走査間隔の関係を計算により求めました。走査間隔が減少するにつれて、連続繊維複合材料の繊維含有量が徐々に増加し、複合材料の機械的特性も向上することがわかりました（図1および図2を参照）。したがって、繊維含有量は複合材料の機械的特性に影響を与える重要な要因です。さらに、ハイブリッド繊維複合材は繊維含有量が最も多く、成長速度が最も速いのに対し、アラミド繊維複合材は繊維含有量が最も少なく、成長速度が最も遅くなります。これは、繊維の断面積が異なることが原因であると考えられます。計算により、3D プリントされたハイブリッド繊維複合材料の混合比が図 4b に示されています。混合方法は一定であるため、スキャン間隔が狭くなっても混合比は変化しません。

図4 3Dプリント同軸ハイブリッド複合材料と単繊維強化複合材料の繊維含有量(a)と混合比(b)に対する走査間隔の影響。さらに、3Dプリントハイブリッド連続炭素/アラミド繊維複合材料の機械的特性をさらに分析するために、本論文では走査型電子顕微鏡を使用して複合材料の破損部分を分析しました。走査間隔が 1.0 mm の場合、明らかな層別化が発生し、繊維束が樹脂に緩く包まれ、界面性能が弱いことがわかりました。走査間隔を 0.8 mm に縮小すると、明らかな層別化は発生せず、多数の繊維がマトリックスに埋め込まれ、含浸効果が良好で、曲げ強度と衝撃強度が向上しました。これは、隣接する堆積ライン間の重なりと接触圧力が高くなったためです。ただし、走査間隔が 0.6 mm の場合、多数の繊維が樹脂に含浸されておらず、界面性能が低下しました。これは、過度の接触圧力によって樹脂が押し出されたためである可能性があります。

図5 異なるスキャン間隔での同軸連続ハイブリッド炭素/アラミド繊維複合材料の微細構造: (a、a'、a'') スキャン間隔 1.0 mm、(b、b'、b'') スキャン間隔 0.8 mm、(c、c'、c'') スキャン間隔 0.6 mm
まとめ
3Dプリントで製造された同軸ハイブリッド連続炭素/アラミド繊維強化複合材料は、総合的な性能が高く、ハイブリッド効果がプラスであり、ハイブリッド構成設計における3Dプリントの高い柔軟性を示しています。さらに、印刷パラメータの変更に伴い、3Dプリントされたハイブリッド連続繊維強化複合材料の繊維含有量とマイクロインターフェース特性が変化し、ハイブリッド繊維複合材料の機械的特性を調節することができます。この研究により、同軸ハイブリッド連続繊維複合材の金型レス急速一貫製造が実現し、複雑な作業条件下での複合材部品の支持力と耐用年数が大幅に向上し、ハイブリッド繊維複合材の応用分野が拡大します。

原典:
Zhanghao Hou、Peng Liu、Xiaoyong Tian、et al. 3Dプリントされた同軸連続ハイブリッド繊維強化複合材料のハイブリッド効果[J]。薄壁構造、2023、188：110820。
オリジナルリンク:
https://www.sciencedirect.com/sc ... 23002987?via%3Dihub

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