[論文レビュー] Compression properties of polymeric syntactic foam composites under cyclic loading

Zeshan Yousaf, M. J. A. Smith+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2019

Cellular and Composite Structures参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ポリウレタンマトリックスに異なるサイズおよび壁厚さの空心ポリマー微粒子を埋め込んだ高分子シンタックチックフォーム複合材料の繰り返し圧縮挙動を調査した。材料は繰り返し荷重下で高い弾性回復性、顕著なエネルギー散逸性、および損傷耐性を示し、SEM分析により微粒子の強化作用がマトリックス損傷を軽減することが確認された。

ABSTRACT

Syntactic foams are composite materials frequently used in applications requiring the properties of low density and high damage tolerance. In the present work, polymer-based syntactic foams were studied under cyclic compression in order to investigate their compressibility, recoverability, energy dissipation and damage tolerance. These syntactic foams were manufactured by adding hollow polymer microspheres of various sizes and wall thicknesses into a polyurethane matrix. The associated loading and unloading curves during cyclic testing were recorded, revealing the viscoelastic nature of the materials. SEM images of the samples were obtained in order to study potential damage mechanisms during compression. It was observed that these syntactic foams exhibit high elastic recovery and energy dissipation over a wide range of compressional strains and the addition of polymer microspheres mitigate the damage under compressional loading.

研究の動機と目的

• 繰り返しサイクル荷重下におけるポリマー系シンタックチックフォームの圧縮応答を評価すること。
• 異なるサイズおよび壁厚さを有する空心ポリマー微粒子が機械的性能をどのように向上させるかを評価すること。
• 繰り返し圧縮における損傷メカニズムおよびエネルギー散逸特性を調査すること。
• 荷重-解放曲線を用いて、複合材料の回復性およびビジコエラスティック挙動を定量化すること。
• SEM分析を用いて、微細構造的特徴とマクロな機械的性能の相関関係を明らかにすること。

提案手法

• ポリウレタンマトリックスに空心ポリマー微粒子を分散させることで高分子シンタックチックフォームを製造した。
• 荷重-解放曲線の記録を目的とした繰り返し圧縮試験を実施した。
• 荷重-解放曲線から導出されたヒステリシスループを用いてビジコエラスティック挙動を分析した。
• 破壊面の観察および損傷メカニズムの特定のため、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた。
• 微粒子のパrameter（サイズおよび壁厚さ）を変化させ、それらが機械的応答に与える影響を評価した。
• 微細構造的観察と機械的データを照合することで、損傷低減メカニズムを理解した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空心ポリマー微粒子は、繰り返し荷重下における高分子シンタックチックフォームの圧縮性および回復性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 繰り返し圧縮サイクル中にシンタックチックフォームで観察されるエネルギー散逸の程度はどの程度か？
• RQ3 微細構造（微粒子サイズおよび壁厚さ）は損傷耐性および破壊メカニズムにどのように影響を与えるか？
• RQ4 繰り返し荷重後に観察される主な損傷メカニズムは何か？
• RQ5 荷重-解放曲線は、複合材料のビジコエラスティック性をどの程度反映しているか？

主な発見

• シンタックチックフォームは繰り返し荷重サイクル後でも最小限の残留変形を示し、高い弾性回復性を示した。
• 広い圧縮ひずみ範囲で顕著なエネルギー散逸が観察され、優れたダンピング能力を示した。
• 空心ポリマー微粒子の添加により、マトリックス損傷が効果的に低減されたことがSEM分析で確認された。
• 荷重-解放曲線は明確なビジコエラスティック挙動を示し、ヒステリシスループが各サイクルにおけるエネルギー損失を示した。
• 最適化された壁厚さおよびサイズ分布を有する微粒子が、損傷耐性および機械的安定性の向上に寄与した。
• 損傷メカニズムは主に微粒子-マトリックス界面に局在しており、良好に分散された複合材料ではマトリックスクラックが最小限に抑えられた。