炭素繊維を使った複合材料は、その高い強度と軽量性から、航空機、風力発電機、ゴルフクラブなど、あらゆる製品や用途で、金属に代わって徐々に進化しています。しかし、そこにはトレードオフがある。最も一般的に使用されている炭素繊維材料は、一度損傷したり劣化したりすると、修理やリサイクルがほぼ不可能です。
雑誌に掲載された論文では カーボン, は、従来と同等の強度と軽さを持ちながら、繰り返し熱を加えることで疲労損傷を回復できる新しいタイプの炭素繊維強化材料について、研究者チームを結成しました。これはまた、寿命が来たときに分解してリサイクルする方法も提供します。
共同研究者のワシントン大学機械工学部助教授Aniruddh Vashisth氏は、「耐疲労性複合材料の開発は、製造業において大きなニーズとなっています」と述べています。 "この論文では、従来の熱源または高周波加熱のいずれかを使用して、その老化プロセスを逆転させ、無期限に延期することができる材料を実証しています。"
この材料は、最近開発された炭素繊維強化ビトリマーと呼ばれるグループの一部で、ガラスのラテン語から名付けられた、固体と流動性の混合した特性を示すものである。スポーツ用品であれ航空宇宙であれ、現在一般的に使用されている材料は炭素繊維強化ポリマーです。
従来の炭素繊維強化ポリマーは、一般的に「熱硬化性」と「熱可塑性」の2つのカテゴリーに分類されます。熱硬化性ポリマーは、エポキシ樹脂と呼ばれる接着剤のような材料で、化学結合により永久に固まります。一方、「プラスチック」は、より柔らかい接着剤を使用しているため、溶かして再加工することができますが、強度と剛性が高いという欠点があります。一方、ビトリマーは、リンク、アンリンク、リリンクが可能で、両者の中間的な役割を担っています。
それぞれの材料を、人がたくさんいる部屋に見立ててください。「熱硬化性樹脂の部屋では、すべての人が手をつないで離さない。熱可塑性プラスチックの部屋では、人々が握手をして、あちこち動き回っています。ビトリマーの部屋では、隣の人と握手をしていますが、握手を交わして新しい隣人を作る能力があるので、相互接続の総数は変わりません。 この再接続によって、材料は修復されるのです。この論文は、原子スケールのシミュレーションを用いて、このような化学的握手の基本的なメカニズムを理解した最初のものです。"
研究チームは、現在熱硬化性樹脂で製造されている多くの製品の代替品になりうると考えており、熱硬化性樹脂の複合材料が埋立地に積まれ始めているため、このような製品が強く求められているのです。研究チームによると、ヒーラブルバイタリマーは、ライフサイクルコスト、信頼性、安全性、メンテナンスの面で異なる配慮が必要な動的材料への大きな転換になるという。
共同研究者のレンセラー工科大学機械・航空宇宙・原子力工学部教授Nikhil Koratkar氏は、「これらの材料は、プラスチックの直線的なライフサイクルを循環型に変換することができ、これは持続可能性への大きな一歩となるでしょう」と述べています。
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