Healing-phase architecture governs cryogenic damage tolerance and mechanical recovery in EMAA-modified self-healing carbon fibre/epoxy composites

水素は、炭素排出物を出すことなく燃焼するクリーンな燃料であり、将来の車両や宇宙船の動力源として有望な候補です。しかし、これを効果的に利用するためには、エンジニアは、膨大な量の水素を、極度の圧力や凍結温度の下でもガスを保持できるほど非常に軽く、かつ強固なタンクの中に貯蔵しなければなりません。最も高度な貯蔵タンクは、炭素繊維の層を強靭なプラスチック樹脂で包み込んだ構造で作られています。これらの材料は金属よりも軽量ですが、隠れた弱点があります。液体水素を貯蔵するために必要な極低温まで温度が下がると、タンク内部の異なる材料が異なる割合で収縮してしまうのです。この不一致により、繊維の層の間のプラスチックに微細な亀裂が生じます。時間が経つにつれ、これらの亀裂がつながって経路を形成し、水素が漏れ出し、タンクの故障を引き起こす可能性があります。科学者たちは、これらのタンクを「自己修復」させる方法、つまり、皮膚の傷が体の自然なプロセスによって閉じるように、温められたときに自動的に微細な亀裂を修復できるようにする方法の研究を進めてきました。

クイーン・メリー大学ロンドン校とグラフェン・イノベーションズ・マンチェスターの研究者たちは、これらの自己修復タンクをどのように構築すべきかという特定のパズルを解決するために着手しました。彼らは、特殊なプラスチックであるエチレン・メタクリル酸（EMAA）を加えることで、加熱時に材料が自らを修復できることが分かっていましたが、極低温環境において、この修復用プラスチックをどこに配置するのが最適であるかは不明でした。彼らは、このプラスチックを炭素繊維の層に組み込む、2つの非常に異なる方法をテストしました。第1の方法は、2枚のパンの間にバターを塗る層のように、連続したシート状の修復用プラスチックをスタックの中央に挿入するというものです。第2の方法は、層を積み重ねる前に、同じプラスチックの微粒子を炭素繊維の表面に直接スプレーして、構造全体に修復材料を分散させるというものです。これら2つの設計を同じ条件下でテストすることで、チームは、どちらの配置が、凍結と加温の繰り返しサイクル後において、タンクを最も強く、損傷に対して高い耐性を持たせることができるかを見出すことを目的としました。

チームは両方の方法を用いて炭素繊維強化プラスチックのサンプルを作成し、厳格なテストを行いました。まず、室温でサンプルを引っ張り、その剛性と強度を確認しました。予想通り、修復用プラスチックを加えると、そのプラスチックは置き換えられたエポキシ樹脂よりも柔らかいため、標準的な未修飾のサンプルよりも剛性と強度がわずかに低下しました。しかし、研究者がサンプルを液体窒素の温度（約マイナス196度）まで冷却すると、挙動は劇的に変化しました。すべてのサンプルは、これらの材料に共通の反応として、はるかに硬く、強くなりました。興味深いことに、粒子をスプレーしたサンプルは元の強度を取り戻し、未修飾の材料と同等の性能を示しましたが、中央にシートを入れたサンプルは依然としてわずかに弱いままでした。これは、修復粒子を繊維表面に分散させることが、単一の厚い層を真ん中に置くよりも、低温による初期のストレスに対処する上で材料を助けることを示唆していました。

しかし、真のテストは、実際の水素タンクが経験するような、繰り返される損傷と修復をシミュレートした際に訪れました。研究者たちは、サンプルに負荷をかけ、修復用プラスチックが溶けて流れ込むように温め、再び冷却するというサイクルを4回繰り返しました。室温において、未修飾のサンプルはテスト終了までに剛性の半分以上を失いましたが、自己修復サンプルは大部分の強度を維持しました。中央にシートを入れたサンプルが最も優れた性能を示し、元の剛性の約90パーセントを維持したのに対し、スプレーされたサンプルは約70パーセントを維持しました。チームが極低温条件下でこの過酷なサイクルを繰り返したとき、その差はさらに決定的なものとなりました。未修飾のサンプルは、蓄積された損傷によって第4サイクルを完了する前に完全に破壊されました。対照的に、両方の自己修復設計は4回のサイクルすべてを生き延びました。中央にシートを入れたサンプルは、生き残っただけでなく、以前よりも強くなっており、損傷が始まる前の元の強度よりも実際に高い最終強度を示しました。また、破断するまでに大幅に伸びたことは、修復プロセス後に柔軟性と弾力性が増したことを示しています。

なぜ中央のシートが極低温下でこれほど効果的だったのかを理解するために、研究者たちは顕微鏡を用いて破損した破片を詳しく観察しました。未修飾のサンプルは、層全体に広がった無秩序な亀裂の塊を示しており、材料が修復できない損傷のネットワークを作り出していました。スプレーされたサンプルは、溶けたプラスチック粒子が小さな隙間を埋めることでいくらか改善が見られましたが、損傷は依然として材料全体に散在していました。しかし、中央にシートを入れたサンプルは、異なる物語を伝えていました。連続した修復用プラスチックの層は、損傷を吸収するための専用ゾーンとして機能していました。材料を加熱すると、この層が流れ出し、分離した部分を再結合させ、亀裂を効果的に閉じ、パネル全体の構造的完全性を回復させました。研究者たちは、この中間層のプラスチックが、修復プロセス中に端の部分からわずかに押し出されているのを観察しましたが、これはプラスチックが溶けて空隙を埋めるために移動したことを証明しています。この連続的な流れにより、材料は散布された粒子よりもはるかに優れた荷重保持能力を回復することができました。

本研究は、自己修復プラスチックを加える両方の方法が炭素繊維タンクの耐久性を向上させるものの、そのプラスチックの配置が性能を左右する決定的な要因であることを結論付けています。層の中央に連続したシートを配置することは、凍結と解凍によって引き起こされる繰り返しの亀裂に対して、最も効果的な保護を提供します。このアプローチは、材料がバラバラになるのを防ぐだけでなく、各サイクル後に強度と柔軟性を回復させるのにも役立ちます。研究者たちは、この特定の実験においてガスの漏洩を直接測定してはいませんが、中央シートのデザインが、連なった亀裂のネットワーク形成を防いでいるという事実は、それが水素の漏洩を防ぐ上でも非常に効果的であることを示唆しています。この知見は、次世代の軽量で安全、かつ再利用可能な車両および宇宙船用水素貯蔵タンクを設計するエンジニアに対し、明確な道筋を示すものであり、修復材料の配置方法という単純な変更が、タンクが最も過酷な環境を生き抜く能力にどれほど大きな違いをもたらすかを証明しています。