リサイクル炭素繊維複合材料の試験手順を特定するという課題
図。 1炭素繊維のリサイクルプロセス。ソース| ELGカーボンファイバー
炭素繊維製品の世界的な需要の急激な増加、およびそれらの消費に関連する廃棄物は、多くの持続可能性の問題を引き起こします。炭素繊維は、広くリサイクルされているアルミニウムと同じくらい高い内包エネルギーを持っており、炭素繊維廃棄物の処分は、サーキュラーエコノミーに深刻な影響を及ぼします。その結果、加水分解、加溶媒分解、熱分解などのリサイクル技術は、過去数十年にわたって勢いを増しています 1 。たとえば、ELG Carbon Fiber Ltd.（Coseley、UK）が採用しているチェーンベッド熱分解技術は、産業規模で設定されており、2017年の時点で年間1,300メートルトン以上のCFを回収していました 2 、3 。
ただし、熱分解の主な技術的課題は、炭素繊維をその発生源と同じ形で回収できないことです。熱分解リサイクルの最終製品は、不連続な繊維のふわふわした絡み合った塊です（図1を参照）。リサイクル炭素繊維（rCF）を処理するための効率的で費用効果の高い方法は、ウールフリースを布地に変換するのと同じように、繊維を織物に変換することです。この方法を使用して、ELGはrCFを、エポキシ樹脂で圧縮成形された、ランダムに分散されたドライレイドのニードルパンチ不織布に変換します。ただし、これらのファブリックは多孔質であるため、結果として得られるラミネートは通常、約30％の繊維体積分率しか達成しません。
これらの材料挙動特性のため、rCF複合材料は、従来の長く連続した繊維強化バージンCF（vCF）複合材料とは異なり、同様に異なる特性を示します。 rCF複合材料の機能、機械的挙動、および設計限界を理解するには、信頼性の高いデータセットを開発し、適切なテスト方法でそれらを特徴付けることが不可欠です。残念ながら、マクロスケールのテストのコードと標準は、連続繊維強化複合材料を念頭に置いて開発されました。さらに、クーポンレベルのテストでは、従来の複合材料の場合でも、文献や業界に多くの不一致が存在します 4 。さらに複雑なことに、エアバスなどの一部のOEMは、独自の社内テスト手法を使用してvCFコンポジットの特性を評価しています 5 。不連続な不織布複合材料に独自の補強アーキテクチャを備えたrCF複合材料を導入すると、複合材料のテストプロトコルにおけるこのあいまいさがさらに高まります。さらに、単一の特性を測定するための試験方法には幅広い選択肢があります。最適な試験の特定には時間がかかりますが、材料の機械的挙動を理解するための基本です。著者の研究の主な目的は、不織布rCF複合材料が、既存および潜在的な新しいアプリケーションでの使用を評価および分析するために、特定の標準テストプロトコルのセットの開発を必要とするかどうかを判断することでした。
不連続な不織布rCF複合材料の場合、静的引張試験と同じくらい簡単に見える試験方法のガイダンスが不明確になります。一般的な方法は、標本の準備が簡単なため、ストレートサイドの長方形のクーポンを使用することです。ただし、rCF複合材料の場合、ASTMD3039またはISO527-4タイプ2または3で説明されている長方形のクーポンを使用すると、エンドタブの有無にかかわらず、ゲージへの応力伝達が不十分なため、タブまたはその近くで破損が発生します。試験片の長さ。 150個の長方形の標本のサンプルサイズから、12.5％未満が許容可能なゲージの破損を引き起こしました。
これには、不十分な試験片の準備、荷重の導入方法、グリップ、試験速度、試験片の形状など、さまざまな原因が考えられます。ランダムガラス繊維の米国陸軍材料機械研究センターで試行された蝶ネクタイの試験片コンポジットは、rCFコンポジットでも改善された結果をもたらしませんでした 6 。この試験では、ASTM D638で説明されているように、ドッグボーンジオメトリを使用すると、パフォーマンスが大幅に向上し、図2に示すように、中央ゲージ領域内で80％以上の試験片が破損しました。この試験片の設計には大きな影響があります。長方形の形状の試験片は時期尚早に破損する傾向があるため、引張特性について。
同一のrCF複合長方形サンプルとドッグボーンサンプルを使用した私たちの研究では、ドッグボーンサンプルと比較して、長方形サンプルの引張強度と剛性がそれぞれ10％と20％低下しました。引張荷重における形状設計の改善は、繰り返し疲労でも明らかでした。引張-引張疲労荷重の特定の応力レベルでは、長方形のクーポンは数百サイクルから300万を超える疲労サイクルの間のどこかで破損する可能性がありますが、ドッグボーンクーポンの破損までのサイクルの変動ははるかに小さかった。
図。 2.ドッグボーン試験片のサンプルゲージ長への応力伝達の改善。ソース| Karthik Krishna Kumar
面外せん断と面内せん断の両方を評価した場合にも、同様のパターンが観察されました。面外せん断または層間せん断は品質管理テストにすぎませんが、ASTM D2344およびISO14130で説明されているショートビームせん断（SBS）テスト方法、ダブルノッチせん断など、その評価のために多くのテスト方法が確立されています。 （DNS）ASTMD3846およびごく最近開発されたISO19927によるダブルビームせん断（DBS）。残念ながら、これらのテストはいずれも、rCF複合材料による純粋な層間せん断破壊の望ましい結果を示しませんでした。一般的な傾向は、試験片のせん断が支配的な破損ではなく、引張りや破砕などの望ましくないモードで破損することでした。
材料、複合材料、または金属を純粋なせん断状態にするのに非常に成功する方法は、Vノッチ形状の試験片を使用するIosipescuせん断試験です。ただし、層間せん断の評価については、ASTM D5379は、欠陥を導入せずに製造することは非常に不可能な厚さ76mmのパネルの使用を推奨しています。別の方法は、パネルを76ミリメートルの厚さに接着することでした。これにより、試験片の製造が成功すると、Vノッチ試験片のグリップセクションで破砕が失敗する可能性があります。 Vノッチ試験片の重要な部分のみを再構築する再修正された標準試験片設計は、この問題を回避し、rCF複合材料に純粋な層間せん断破壊を発生させました。
ただし、Iosipescuせん断試験は、rCF複合材料の面内せん断試験には適用できませんでした。ラミネートのXY平面での繊維分布を考えると、予想される引張りが支配的な破損によって破損する傾向がありました。考えられる代替案は、一般に木材複合材に使用されるISO15310で説明されているプレートツイスト法です。繊維強化アーキテクチャの性質が、基本的な静的マクロスケールクーポンレベルテストの機械的挙動と材料応答に大きな影響を与えることは明らかです。さらに、繰り返し荷重におけるrCF複合材料の機械的挙動は、従来のvCF複合材料または短繊維強化複合材料の場合とはまったく異なることがわかっています。
リサイクル炭素繊維複合材料には、成形プロセス、繊維含有量、繊維弾性率グレード、リサイクル品のソースフォームの樹脂グレード、繊維とマトリックスの相互作用など、機械的特性に影響を与える多くの材料処理変数があります。これらのパラメータの分析は、市場に新たに参入した材料の専用の標準試験手法を開発しなければ、無駄で面倒です。英国規格協会（BSI）は、繊維ガラス強化プラスチック、シート成形コンパウンド（SMC）およびバルク成形コンパウンド（BMC）熱硬化性複合材料、木質ポリマー/天然繊維複合材料、引抜成形強化複合材料などの非従来型複合システムの仕様に対応しています。適用可能な試験方法を特定する専用の規格。リサイクルされた炭素繊維複合材料は、信頼性の高い特性評価を可能にするために同じアプローチを必要とします。
参照：
1 Job、S.、Leeke、G.、Mativenga、P.T.、Oliveux、G.、Pickering、S。and Shuaib、N.A.、2016。複合材料のリサイクル：私たちは今どこにいますか。 Composites UK Ltd。：Berkhamsted、UK 。
2 ジェイコブ、A。（2019）。 リサイクル炭素繊維への信頼の構築 。 [オンライン] https://www.compositesworld.com/blog/post/building-confidence-in-recycled-carbon-fiber [2019年7月29日アクセス]で入手可能。
3 インストン、D。（2019）。 ELGカーボンファイバーオープンハウスはリサイクル技術を紹介しています 。 [オンライン] https://www.compositesworld.com/news/elg-carbon-fibre-open-house-showcases-recycling-technology [2019年7月29日アクセス]で入手可能。
4 アダムス、D。（2019）。 テキスタイルコンポジットの機械的試験 。 [オンライン] https://www.compositesworld.com/blog/post/mechanical-testing-of-textile-composites [2019年7月29日アクセス]で入手可能。
5 Spendley、P.R.、2012年。複合航空宇宙構造の設計許容値 。
6 Oplinger、D.W.、Gandhi、K.R。 and Parker、B.S.、1982。複合材料試験用の引張試験片の研究 （番号AMMRC-TR-82-27）。マサチューセッツ州ウォータータウン陸軍材料力学研究センター
Karthik KrishnaKumarは博士号を取得しています。英国オックスフォードブルックス大学の学生彼の研究は、実用的な用途での炭素繊維の安全で持続可能な使用のために、リサイクルされた不織布炭素繊維複合システムの適切なテスト手法の開発、それらの疲労挙動と環境耐久性の評価を伴います。
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