「三次元ナノスパイダーウェブ」剛柔界面層構築による炭素繊維/エポキシ複合材料の機械的特性向上
Enhancing the Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites by Constructing a “Three-Dimensional Nanospider Web” Rigid–Flexible Interface Layer
炭素繊維強化ポリマー複合材料(CFRP)の機械的特性を向上させるため、炭素繊維(CF)表面にカーボンナノチューブ(CNT)、ポリドーパミン(PDA)、セルロースナノファイバー(CNF)を組み合わせた「三次元ナノスパイダーウェブ」構造の剛柔界面層を構築する新しい表面改質戦略が開発された。この改質により、CF表面の粗さが大幅に増加し、表面エネルギーが128.60%向上して濡れ性が改善された。界面には厚みのある遷移層が形成され、炭素繊維からエポキシ樹脂への弾性率の勾配低下により、効率的な応力伝達が実現した。その結果、改質された複合材料(CF-0.1%CNT-PDA-CNF/EP)の界面せん断強度(IFSS)は38.39%、層間せん断強度(ILSS)は54.93%、引張強度(701.08 MPa)は51.74%、曲げ強度(934.41 MPa)は64.98%向上した。これは、CNT、CNF、PDAが水素結合、共有結合、π-π相互作用を通じてCF-エポキシ界面に剛性勾配を持つ「剛柔」遷移層を形成したことによる。
- CNT、PDA、CNFを組み合わせた三次元ナノスパイダーウェブ構造の界面改質により、CFRPの界面せん断強度(IFSS)が38.39%、層間せん断強度(ILSS)が54.93%向上した
- 改質された複合材料の引張強度は701.08 MPa(51.74%向上)、曲げ強度は934.41 MPa(64.98%向上)を達成した
- 改質によりCF表面の表面エネルギーが128.60%向上し、エポキシ樹脂への濡れ性が改善された
炭素繊維強化複合材料(CFRP)の界面強度改善は、航空機・自動車・風力発電など幅広い軽量化産業のコスト構造に直結する技術課題。CNT・CNF・PDAを組み合わせた界面改質により、引張強度51.74%、曲げ強度64.98%という大幅な性能向上を実証した点は、複合材料サプライチェーンの材料サプライヤーや部材メーカーへの技術移転価値が高く、中長期的な投資テーマとして注目に値する。