マルチスケールクルミ殻粉末、Eグラス繊維、グラフェン強化エポキシハイブリッド複合材料の機械的、形態学的、微細機械的特性評価
Mechanical, morphological and micromechanical characterization of multiscale walnut shell powder, E-glass fibre and graphene reinforced epoxy hybrid composites
本研究では、エポキシ樹脂に天然クルミ殻粉末(WSp)、合成Eグラス繊維、ナノスケールグラフェンを配合したマルチスケールハイブリッド複合材料を開発した。手積層法で製造し、常温で硬化させたサンプルについて、引張、曲げ、圧縮荷重下での性能を評価した。実験結果によると、5wt%のWSp添加は圧縮強度を75.30%向上させたが、引張特性の向上は粒子凝集と界面空隙形成により限定的であった。一方、15 wt%の連続Eグラス繊維と0.1 wt%のグラフェンで強化された複合材料サンプルは、最適な機械的相乗効果を示した。このE-EgGハイブリッドは、未処理エポキシサンプルと比較して、引張強度で71.66%、曲げ強度で123.81%、圧縮強度で355.71%の大幅な増加を示した。走査型電子顕微鏡(SEM)による形態学的評価は、ナノスケールグラフェンが特性を根本的に変化させ、マイクロクラックを橋渡しし、強度を向上させ、有意なクラック偏向を誘発することを確認した。実験結果は、分析的微細機械モデリングによってさらに確認された。混合則およびHalpin–Tsai予測はE-Eglassと2%以内で一致したが、Halpin–TsaiはE-Grの弾性率を大幅に過小評価した(-44.5)。一方、グラフェンをまずマトリックス強化相と仮定し、次に巨視的補強材を重ね合わせる2段階均質化アプローチは、E-EgG弾性率を実験値(7.81対9.22 GPa)の3.8%以内に予測した。特に、E-WSpGハイブリッドは、対応する2段階予測を約46%上回り、微視的WSP相とナノスケールグラフェン相の真の相互依存相互作用に関する定量的、モデルベースの証拠を提供した。
- エポキシに天然クルミ殻粉末(WSp)5wt%を添加で圧縮強度が75.30%向上したが、粒子凝集と界面空隙により引張特性の改善は限定的だった。
- 15wt%の連続Eグラス繊維と0.1wt%のグラフェンを併用したE-EgGハイブリッドは、未処理エポキシ比で引張強度71.66%、曲げ強度123.81%、圧縮強度355.71%の増加を示した。
- SEM観察により、ナノスケールグラフェンがマイクロクラックを橋渡しし、クラック偏向を誘発して強度を向上させることが確認された。
- グラフェンを先にマトリックス強化相、次に巨視的補強材を重ねる2段階均質化アプローチがE-EgG弾性率を実験値(7.81対9.22 GPa)の3.8%以内で予測し、混合則・Halpin–TsaiはE-Gr弾性率を44.5%過小評価した。
- E-WSpGハイブリッドは対応する2段階予測を約46%上回り、微視的WSP相とナノスケールグラフェン相の相互依存相互作用を示す定量的証拠となった。
天然クルミ殻粉末・Eグラス繊維・グラフェンをエポキシに複合させ、引張71.66%・曲げ123.81%・圧縮355.71%という大幅な物性向上と、2段階均質化モデルによる予測精度向上を実証した点が注目。バイオマス廃棄物とナノ炭素材料を組み合わせた低コスト・軽量複合材は、自動車内装や建材、風力ブレードなど量産部材の代替候補になり得る。研究段階であり企業の量産採用は未確認だが、フィラー添加量と界面制御の設計指針が示されたことは、複合材料メーカー・樹脂メーカーの競争軸(コスト対物性)に影響しうる。投資判断では、商用化時期とスケールアップ時の品質安定性、既存ガラス繊維複合材との価格優位性を追跡したい。