高弾性率PAN系炭素繊維の表面極性と界面特性を調整する張力・温度シナジー
Tension–Temperature Synergy in Tailoring Surface Polarity and Interfacial Properties of High-Modulus PAN-Based Carbon Fibers
ポリアクリロニトリル(PAN)系高弾性率炭素繊維(HMCFs)の高温黒鉛化は、表面極性と樹脂濡れ性を低下させ、繊維弾性率と界面接着性のトレードオフを生じさせ、応用を制限してきた。本研究では、張力と温度のシナジー効果によりこの限界を克服する手法を報告する。1700~2100 K、0~70 Nの軸方向張力下でHMCFsを製造し、X線回折、ラマンスペクトル、動的接触角測定、マイクロドロップ破壊測定により微細構造と表面活性を評価した。温度は結晶子粗大化と表面活性炭(Sac)濃度を支配し、張力は結晶粒成長を誘発せずに軸方向ラメラ配向を強化する。一定温度では、結晶子のわずかな成長とラメラの半径方向再配列という2つの競合効果により、張力変化下でもSacは安定する。1900 K、60 Nで処理された繊維は、約350 GPaの弾性率を達成し、これは2100 K/10 Nサンプルと同等であるが、Sacは13.5%高く、表面エネルギーは26.3 mN・m−1に上昇し、界面せん断強度(IFSS)は37.9%向上した。Sacパラメータは表面エネルギーとIFSSと強い相関を示す。この一段階のin situ熱戦略は後処理を不要とし、弾性率と固有界面接着性がバランスしたHMCFsの工業的に実行可能なルートを提供する。
- 張力と温度のシナジー効果により、1700~2100 K、0~70 Nの条件下で高弾性率PAN系炭素繊維を製造。1900 K、60 Nの処理で弾性率約350 GPaを達成しつつ、表面エネルギーは26.3 mN・m−1に上昇、界面せん断強度(IFSS)は37.9%向上した。
- 温度は結晶子粗大化と表面活性炭(Sac)濃度を支配し、張力は結晶粒成長を誘発せずに軸方向ラメラ配向を強化することが確認された。
- 一段階のin situ熱戦略により後処理を不要とし、弾性率と固有界面接着性がバランスしたHMCFsの工業的に実行可能な製造ルートが提示された。
高弾性率PAN系炭素繊維の弾性率と界面接着性のトレードオフを解決する画期的な製造プロセス研究成果。特に1900K・60Nの張力・温度シナジー処理により、弾性率350GPaを維持しつつ界面せん断強度を37.9%向上させた点は、航空宇宙・自動車など高強度複合材料用途での実用価値が高く、炭素繊維メーカーの製造コスト削減と性能向上に直結する可能性がある。一段階のin situ熱戦略で後処理が不要である点も工業化コスト面で有利。