[論文レビュー] Interlaminar toughening in structural carbon fiber/epoxy composites interleaved with carbon nanotube veils

Yunfu Ou, Carlos González+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2019

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 63被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、半産業的ガス相プロセスを用いて炭素繊維布に直接連続的で薄いカーボンナノチューブ（CNT）ベールを統合することで、炭素繊維/エポキシ複合材料のモードI割れ靭性が60%向上することを示した。割れの進行は、CNT強化インターレイヤーの上下を交互に進行し、低密度の層としてCNTベールが堆積された場合に界面靭性が向上するが、密度が高くなったベールは欠陥として機能する。

ABSTRACT

The susceptibility to delamination is one of the main concerns in fiber reinforced polymer composites (FRPs). This work demonstrates improvements of 60% in Mode-I fracture toughness after integration of thin (~30 micron), continuous veils of carbon nanotubes (CNTs) directly deposited onto carbon fiber fabric as the CNT are drawn from the gas-phase using a semi-industrial process. A combination of optical imaging, scanning electron microscopy and a Raman spectroscopy provide a new rapid tool to unambiguously determine the crack propagation path by simple visual inspection of fracture surface. The results show that interlaminar crossing between CNT veil/CF interfaces is of paramount importance. The crack front alternatingly propagates above and below the CNT-toughened interlayer, significantly improving the fracture toughness of resultant laminates. This mechanism is strongly influenced by the method used to integrate the veils onto the CF. CNT veils directly deposited onto the fabrics as a low-density layer lead to large improvements in interlaminar properties, whereas compact CNT veils densified by solvent exposure prior to their integration in the lay-up act as defects.

研究の動機と目的

• 繊維強化ポリマー複合材料の構造的信頼性を制限する重大な問題であるデラミネーションを解決すること。
• 産業応用に適したスケーラブルで低コストな界面靭化戦略を、カーボンナノチューブ（CNT）ベールを用いて開発すること。
• CNTベール統合方法（直接堆積対比溶媒による密度化）が界面割れ特性に与える影響を調査すること。
• 光学画像、走査型電子顕微鏡（SEM）、ラマン分光法を用いて、割れ進行経路を迅速に可視化する方法を確立すること。
• 微細構造的分析を通じて、CNTベール強化ラミネートにおける主な靭化メカニズムを特定すること。

提案手法

• 半産業的化学蒸着法（CVD）を用いて、連続的で約30 µm 厚のCNTベールを製造した。
• 溶媒処理を施さずに、炭素繊維布に低密度層として直接CNTベールを堆積した。
• ラミネート統合の前に溶媒露出によって密度化されたCNTベールを用いた対照試料を調製した。
• モードI割れ靭性（GIC）を測定するために、き裂入り端部フレクチャーテストを実施した。
• 割れ進行経路と界面相互作用を分析するために、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM）、ラマン分光法を用いた。
• 微細構造的観察結果と機械的試験結果を照合し、靭化メカニズムを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭素繊維布に直接堆積されたCNTベールが、炭素繊維/エポキシ複合材料の界面割れ靭性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CNTベールの形状および統合方法（例：溶媒による密度化）がデラミネーション抵抗に与える影響は何か？
• RQ3 光学画像法およびラマン分光法は、破壊面における割れ進行経路を迅速かつ信頼性高く特定するための有効な手法とみなせるか？
• RQ4 CNTベール強化ラミネートで観察された靭化効果の背後にある微細構造的メカニズムは何か？
• RQ5 なぜ溶媒による密度化が事前に行われたCNTベールは、複合材料構造において欠陥として機能し、靭化剤として機能しないのか？

主な発見

• 直接堆積され低密度のCNTベールを有する複合材料では、モードI割れ靭性（GIC）が60%向上した。
• 割れの進行が、CNT強化インターレイヤーの上下を交互に進行し、割れの曲がりとブリッジングによるエネルギー散逸が有効に発生していることが示された。
• ラミネート統合前に溶媒露出によって密度化されたCNTベールは欠陥として機能し、対照試料と比較して界面靭性が低下した。
• 光学画像、SEM、ラマン分光法の組み合わせにより、破壊面の視覚的検査を通じて、割れ経路の明確な同定が可能になった。
• CNTベール／炭素繊維界面での割れの貫通が、主な靭化メカニズムであると特定された。
• 特に、低密度を維持し、直接堆積するというCNTベール統合方法が、強化された割れ抵抗を達成する上で極めて重要であることが判明した。