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■ 改質したポリカーボネートの強度特性と強化機構に関する研究
2014年3月に博士(工学)を修得された安藤誠人さんの略歴をご紹介します
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社会人博士 安藤誠人さんの略歴
学歴
2001年
2001年
2003年
2011年
2014年
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3月
4月
3月
4月
3月
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九州工業大学工学部機械知能工学科卒業
九州工業大学大学院工学研究科博士前期課程機械知能工学専攻入学
九州工業大学大学院工学研究科博士前期課程機械知能工学専攻修了
九州工業大学大学院工学研究科博士後期課程機械知能工学専攻入学
九州工業大学大学院工学研究科博士後期課程機械知能工学専攻修了
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職歴
研究歴
2000年4月～2003年
2003年4月～2005年
2005年4月～2009年
2008年4月～2010年
2010年4月～現在
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3月
3月
3月
3月
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低炭素鋼の初期疲労き裂に影響をおよぼす因子に関する研究
ガラス繊維複合材料の内部微細構造観察技術の確立と破壊機構の解明
微小領域の力学物性測定技術の確立
固体内部の三次元微細構造解析技術の確立
改質したポリカーボネートの強度特性と強化機構に関する研究
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改質したポリカーボネートの強度特性と強化機構に関する研究
Research on strength characteristics and strengthening mechanism of modified polycarbonate
ポリカーボネート(PC)は透明性や耐衝撃性，耐燃性などを合わせ持つバランスの良い材料として，電気電子分野やOA分野だけでなく，光学分野や自動車分野などで様々な製品に使用されています．しかし，PCを使用する上では，強度・弾性率の絶対値の低さや低温域における衝撃強度の低下が実用上の問題点となっており，近年では，エポキシ(EP)を界面改質材として添加したガラス繊維(GF)強化PCの開発や，軟質なコモノマー成分であるポリジメチルシロキサン(PDMS)を共重合したPDMS-PCが開発されています．そこで，これらの材料に対して詳細な強度特性の検証と強化機構の解明に取り組みました．
まず，GFPCにおける樹脂/繊維界面と繊維端の微視的な損傷に着目し，EPを界面改質材として添加することによる樹脂/繊維界面の強度変化が破壊過程におよぼす影響について考察しました．その結果，GFPCでは引張負荷，疲労負荷共に，損傷が繊維端部の剥離を起点として発生し，繊維界面へ進展して破壊することが分かりました．また，EP添加により大幅に界面せん断強度が向上し，樹脂/繊維界面に沿った剥離が進展しなくなることで引張及び疲労特性が大幅に向上することを見出しました．その理由は，EPがGF外周に偏在しPCとの相互作用が向上するためと考えられました．
Polycarbonate (PC) is a well-balanced material that combines transparency, impact resistance, and flame resistance, and is used in a variety of products in the fields of optics and automobiles as well as in the fields of electrical and electronics and OA. However, when using PC, the low absolute values of strength and elastic modulus and the decrease in impact strength at low temperatures have become practical problems, and in recent years,
glass fiber (GF) reinforced PC with epoxy (EP) as an interface modifier added and PDMS-PC copolymerized with soft copolymer component polydimethylsiloxane (PDMS) have been developed. Therefore, we worked on the verification of detailed strength characteristics and the elucidation of the strengthening mechanism for these materials.
First, focusing on microscopic damage at the resin / fiber interface and fiber end in GFPC, the influence of the strength change at the resin / fiber interface by adding EP as an interface modifier was considered. As a result, it was found that in GFPC, both tensile load and fatigue load caused damage starting from the exfoliation of the fiber end and progressing to the fiber interface and breaking.
It was also found that the addition of EP significantly improves interfacial shear strength and that tensile and fatigue properties are significantly improved by the fact that delamination along the resin / fiber interface does not progress. The reason is considered to be that EP is localized around GF and the interaction with PC is improved.
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次に，油圧によって試験速度を制御し任意速度での衝撃試験が可能な高速引張試験法を用いて，PCへPDMSを共重合化することによる衝撃特性の試験温度と速度に対する変化を詳細に検証しました．その結果，PCは延性/ぜい性遷移によって大幅な破壊エネルギーの低下を起こしますが，その遷移条件は試験温度と引張速度の双方に依存し，PDMS-PCは低温・高速下においても延性破壊を保つことで破壊エネルギーの低下を抑制することが分かりました．その理由は共重合されたPDMSが良好な変形性を発揮するためと考えられます．
Next, using a high-speed tensile test method that allows hydraulic pressure to control the test speed and allow an impact test at any speed,
examine changes in impact properties to test temperature and speed in detail by copolymerizing PDMS to PC Did. As a result,
PC causes a significant reduction in fracture energy due to ductile / brittle transition, but the transition conditions depend on both the test temperature and the tensile rate,
and PDMS-PC exhibits ductile fracture even at low temperature and high speed.
It has been found that the reduction of destructive energy is suppressed by keeping. The reason is considered that copolymerized PDMS exhibits good deformability.
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また，高速引張試験時に起こる動的応力集中とひずみ速度集中について有限要素法を用いた弾性解析も行いました．その結果，動的応力集中係数とひずみ速度集中係数は，引張速度や最大変位によらず切欠き形状で決まり，すべての時間において常に一定値となることを見出しました．さらに，この時のひずみ速度解析結果を使用することで，実験で得られた衝撃特性に対して時間-温度換算則が適用できることを説明しました．これにより，成形品の強度設計に活用可能な粘弾性を考慮したぜい性破壊指標を得ることができました．
In addition, an elastic analysis using the finite element method was performed for the dynamic stress concentration and strain rate concentration that occur during the high-speed tensile test. As a result,
we found that the dynamic stress concentration factor and the strain rate concentration factor are determined by the notch shape regardless of the tensile speed and maximum displacement, and are always constant at all times. Furthermore,
by using the strain rate analysis results at this time,
it was explained that the time-temperature conversion law can be applied to the impact characteristics obtained in the experiment.
As a result, we were able to obtain a brittleness fracture index considering viscoelasticity that can be used for strength design of molded products. |
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最後に，静的強度である引張強度・弾性率と動的強度である衝撃強度と疲労強度を両立した材料として期待される，PDMS-PCをマトリクスとしたGF複合材料について，その強度特性と破壊過程を考察しました．その結果，GFPDMS-PCは GFPCに対して衝撃特性の向上効果が得られますが，疲労寿命は低下することが分かりました．その理由はマトリクスのき裂進展抵抗が低下するため，GF端き裂が進展・連結し易いためであると考えられます．
Lastly, the strength characteristics and fracture process of a GF composite material with PDMS-PC as a matrix, is studied and expected as a material that combines fatigue strength ,impact strength as dynamic strength and tensile strength, elastic modulus as static strength. As a result, it was found that GFPDMS-PC has an improved impact characteristics compared to GFPC, but the fatigue life is reduced. The reason for this is thought to be that the crack growth resistance of the matrix decreases,
and that the GF end cracks propagate and connect easily. |
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