ガラス繊維複合材料の界面接合強度を高めるための重要な方法

複合材料において、主要な強化材であるガラス繊維の性能は、繊維とマトリックス間の界面結合能力に大きく依存します。この界面結合の強度は、ガラス繊維に荷重がかかった際の応力伝達能力と、高強度時のガラス繊維の安定性を決定します。一般的に、ガラス繊維とマトリックス材料間の界面結合は非常に弱いため、高性能複合材料へのガラス繊維の適用は制限されています。そのため、サイジング剤コーティングプロセスを用いて界面構造を最適化し、界面結合を強化することは、ガラス繊維複合材料の性能を向上させるための重要な方法です。

サイズ剤は、繊維の表面に分子層を形成します。グラスファイバーこれにより、界面張力が効果的に低下し、ガラス繊維表面の親水性または親油性が向上し、マトリックスとの適合性が向上します。例えば、化学的に活性な基を含むサイジング剤を使用することで、ガラス繊維表面との化学結合が形成され、界面接着強度がさらに向上します。

研究によると、ナノレベルのサイズ剤はガラス繊維表面をより均一にコーティングし、繊維とマトリックス間の機械的・化学的結合を強化し、繊維の機械的特性を効果的に向上させることが示されています。同時に、適切なサイズ剤の配合は繊維の表面エネルギーを調整し、ガラス繊維の濡れ性を変化させ、繊維と異なるマトリックス材料との間の強力な界面接着をもたらします。

コーティングプロセスの違いも界面接着強度の向上に大きな効果をもたらします。例えば、プラズマコーティングではイオン化ガスを用いて界面を処理できます。ガラス繊維表面を洗浄し、有機物や不純物を除去し、表面活性を高め、繊維表面へのサイズ剤の結合を改善します。

マトリックス材料自体も界面接合において重要な役割を果たします。処理済みガラス繊維との化学親和性を高める新たなマトリックス配合を開発することで、大幅な改善が期待できます。例えば、反応性基を高濃度に含むマトリックスは、繊維表面のサイジング剤とより強固な共有結合を形成できます。さらに、マトリックス材料の粘度と流動特性を調整することで、繊維束への含浸性を向上させ、界面におけるボイドや欠陥を最小限に抑えることができます。これらは、一般的に弱点となる要因です。

製造プロセス自体を最適化することで、界面の接合性を向上させることができます。真空注入または樹脂トランスファー成形（RTM）より均一かつ完全な濡れを確保できますガラス繊維マトリックスによって、接着力を弱める可能性のある気泡が排除されます。さらに、硬化中に外部圧力を加えたり、温度サイクルを制御したりすることで、繊維とマトリックス間のより密接な接触が促進され、架橋度が向上し、より強固な界面が得られます。

ガラス繊維複合材料の界面接合強度の向上は、重要な実用化につながる重要な研究分野です。サイズ剤や様々なコーティングプロセスの使用はこの取り組みの基盤となっていますが、性能をさらに向上させるための他のいくつかの方法も検討されています。