カーボンアラミド繊維複合材料における樹脂の濡れ問題と空隙含有量および機械的性能への影響の解決策

I. ハイブリッド複合材料の複雑さ

の カーボンアラミド生地 ハイブリッド複合材料は、極限環境向けに設計された材料であり、炭素繊維の高い剛性と強度と、アラミド繊維の優れた耐衝撃性と損傷耐性を組み合わせています。このブレンドは、航空宇宙工学、自動車製造、高性能スポーツ用品などの技術分野で重要です。しかし、これらのハイブリッドコンポーネントの製造には、重大な技術的ハードルがあります。それは、アラミド繊維の固有の低い表面エネルギーにより、多くの場合、樹脂の濡れが悪くなり、その後、空隙率が高くなって機械的特性が損なわれることになります。 Jiangyin Dongli New Materials Technology Co., Ltd. は、これらの高性能繊維複合材料の総合的な開発と製造を専門としています。気候調整されたワークショップや 100,000 グレードの精製ゾーンなど、精密に管理された生産環境を含む 32,000 平方メートルの工業団地で操業し、統合された材料イノベーションとエンジニアリングの専門知識を活用しています。ワンストップ工場として、当社の能力は、製織やプリプレグの製造から、オートクレーブ、RTM、PCM などの技術を使用した最終複合材の製造まで、プロセス全体に及びます。

3k 1000d/1500d プレーン/ツイル アラミド カーボン混合炭素繊維織物

II.樹脂の濡れに関する課題: アラミドの低い表面エネルギー

濡れは表面化学の原理、特に繊維の表面エネルギーと樹脂の表面張力のバランスによって決まります。アラミド繊維は、高度に配向した芳香族ポリマー構造により、化学的に不活性であり、表面エネルギーが非常に低くなります (多くの場合、約 30 ～ 40 mN/m)。この低い表面エネルギーにより、標準的なエポキシまたはビニル エステル樹脂との接触角が大きくなり、樹脂の毛細管現象 (広がり) が妨げられ、繊維束に完全に浸透します。この界面接着力の欠如により、複合材料の基本的な目的である構造荷重伝達が大幅に損なわれます。

A. アラミド繊維の低表面エネルギープリプレグソリューション

樹脂が繊維上で部分的に硬化されるプリプレグプロセスでは、アラミド繊維の低表面エネルギープリプレグ溶液は、多くの場合、浸透を高めるために加工条件を操作する必要があります。これには通常、プリプレグの温度を上げて樹脂の粘度を一時的に下げることと、最初の含浸段階でより高い圧力を加えることが含まれます。プリプレグプロセス (Dongli が広く使用している) では、樹脂含有量の制御と真空圧密により、一般にウェットレイアップよりもボイド含有量が低くなりますが、カーボンアラミドファブリック内の湿潤しやすいカーボンファイバーと比較すると、アラミドコンポーネントには依然として課題があります。処理方法を比較すると、その難しさが浮き彫りになります。

Ⅲ．ソリューション: 表面改質と樹脂の最適化

エンジニアは、繊維表面の改質または樹脂配合の調整を利用して、カーボン アラミド繊維の界面を改善するために積極的に介入する必要があります。

A. アラミド繊維樹脂接着用表面処理

の most impactful intervention is pre-treating the aramid filaments. Effective surface treatment for aramid fiber resin adhesion includes chemical etching (e.g., acid or alkaline solutions) or plasma treatment. These processes introduce active functional groups (elike hydroxyl or carboxyl groups) onto the aramid surface, increasing its surface energy and creating strong covalent bonds or hydrogen bonds with the polymer matrix. The critical trade-off is ensuring the treatment improves adhesion without causing structural damage to the aramid's highly crystalline structure, which would compromise its inherent tensile strength.

B. カーボンアラミド織物樹脂の濡れ改善方法

繊維の改質が不可能な場合は、樹脂の改質を採用する必要があります。カーボンアラミド繊維の樹脂の濡れを改善する方法は、樹脂の表面張力を繊維の表面エネルギー（ヤングの式）よりも低く調整することに重点を置いています。これには、樹脂配合物に特定の界面活性剤または非反応性希釈剤を添加することが含まれます。さらに、Dongli の施設で利用されている樹脂トランスファー成形 (RTM) や真空補助樹脂注入 (VARI) などのプロセスは、正確な真空圧と制御された流量に依存して、密に織られたアラミド束に機械的に樹脂を押し込み、自然な濡れの悪さを補っています。

IV.結果: ボイド内容と機械的劣化

十分な樹脂の湿潤が達成できないと、完成したカーボン アラミド繊維複合部品の構造的完全性と性能に直接的かつ定量的な悪影響が及びます。

A. ハイブリッド カーボン アラミド複合材の空隙含有量の影響

樹脂の湿潤不足は、多孔性または空隙含有量 (ラミネート内に閉じ込められた気泡) の主な原因です。空隙は応力集中体および破壊開始部位として機能します。ハイブリッド カーボン アラミド複合材の空隙率の影響は、マトリックスが支配する特性、特に層間せん断強度 (ILSS) に最も大きく影響します。空隙率が高いと、材料の層間剥離に対する抵抗力が大幅に低下します。空隙による機械的特性の劣化については、十分に文書化されています。

B. 湿式積層カーボンアラミド生地の機械的特性

ウェットレイアップカーボンアラミドファブリックの機械的特性法を使用して製造された複合構造の場合、濡れ性が低いと、アラミド繊維が提供する重要な性能特性が特に損なわれます。アラミドは主にその高いエネルギー吸収能力 (耐衝撃性) のために含まれています。樹脂がアラミド繊維に完全に接着しないと、荷重が効果的に伝達されず、亀裂の伝播を阻止する繊維の能力が低下し、耐衝撃性が損なわれ、ラミネート全体の疲労寿命が大幅に低下します。

V. 品質管理と全プロセスの専門知識

Jiangyin Dongli New Materials Technology Co., Ltd. では、完全に統合されたワンストップ アプローチを通じて、これらの濡れとボイドの問題を軽減します。 100,000 グレードの精製ゾーンを含む当社の管理された生産環境は、湿潤を妨げる可能性のある汚染を最小限に抑えます。当社はオートクレーブ、RTM、RMCP、PCM、WCM、スプレー技術などの高度な製造プロセスを活用し、高性能繊維織物の研究開発から最終複合製品に至るまでのあらゆる段階で厳格な品質基準を遵守し、空隙含有量を最小限に抑え、指定された機械的性能を保証します。

VI.インターフェースのエンジニアリング

カーボンアラミド繊維複合材の構造的および機械的性能を最大化するには、アラミドの低い表面エネルギーを克服するために繊維と樹脂の界面をうまく設計するかどうかにかかっています。高度なアラミド繊維の低表面エネルギーのプリプレグ溶液法を使用する場合でも、アラミド繊維樹脂接着技術用の表面処理を使用した繊維の前処理を使用する場合でも、細心の注意を払ったプロセス制御と材料科学の応用が不可欠です。高信頼性コンポーネントを求めるB2Bバイヤーは、低いボイド含有量が高い機械的強度と優れた耐久性に直接つながることを保証するために、Dongliのような専門知識と完全なプロセス制御を備えたメーカーと提携する必要があります。

VII.よくある質問 (FAQ)

Q1: アラミド繊維はなぜもともと樹脂の濡れに強いのですか?

• A: アラミド繊維は、化学的に不活性で表面に活性な官能基を持たない高度に配向した芳香族ポリマー鎖で構成されています。これにより、本質的に表面エネルギーが低くなり、表面張力の高い樹脂が効果的に広がり浸透するのではなく、玉状になり (接触角が高く) なります。

Q2: カーボン アラミド ファブリックの樹脂の濡れ不良によって引き起こされる最も一般的な欠陥は何ですか?

• A: 最も一般的な欠陥は、空隙率 (気孔率) が高いことです。濡れていない繊維束は硬化プロセス中に気泡を捕捉し、これらの空隙は臨界応力集中体として機能し、特にハイブリッド カーボン アラミド複合材の空隙含有量の影響による層間せん断強度 (ILSS) を弱めます。

Q3: 低表面エネルギーの問題を解決するには、繊維の表面処理と樹脂の低粘度化のどちらが効果的ですか?

• A: 繊維の表面処理 (プラズマまたは化学処理など) は、繊維の表面エネルギーを化学的に変化させ、実際の化学結合を促進するため、一般的により根本的に効果的です。カーボンアラミド繊維の樹脂濡れ性向上法の一つである樹脂粘度低下は、機械的には効果がありますが、界面での化学的接着強度は向上しません。

Q4: 濡れが悪いと、アラミド繊維の重要な利点である耐衝撃性にどのような影響がありますか?

• A: 濡れが悪いと、アラミド繊維が耐荷重性樹脂マトリックスから分離されます。衝撃中、エネルギーがマトリックスから高靭性アラミド繊維に効果的に伝達されず、繊維がエネルギーを吸収できなくなり、亀裂の伝播が阻止され、複合材料の全体的な衝撃性能が損なわれます。

Q5: カーボン アラミド繊維の加工にメーカーが特殊な環境 (100,000 グレードの精製ゾーンなど) を必要とするのはなぜですか?

• A: 表面汚染物質 (ほこり、油、湿気など) によって繊維のすでに低い表面エネルギーが大幅に低下し、樹脂の濡れがさらに悪化する可能性があるため、精密な環境が非常に重要です。クリーンルームでは、選択されたアラミド繊維の低表面エネルギーのプリプレグ ソリューションの可能性を最大限に高めるために、材料が汚染のない最適な条件で処理されることが保証されます。