ノースカロライナ州立大学とヒューストン大学の技術者チームは最近、構造的損傷を受けても1,000回以上繰り返し修復できる新しい繊維強化複合材料を開発したと発表した。同時に、その初期強度は、現在航空機の翼や風力タービンブレードなどの主要コンポーネントの製造に使用されている従来の複合材料よりも大幅に優れています。研究者らは、さまざまな主要なアプリケーションにおける「ゲームチェンジャー」と評しています。研究チームは、この材料が自動車、航空機、宇宙船、風力タービンなどの主要機器の耐用年数を大幅に延ばすことが期待できると考えている。
このブレークスルーは、複合材料における「剥離破壊」という一般的な問題をターゲットとしています。使用中に、繊維強化ポリマー (FRP) 内の層状構造が時間の経過とともに徐々に分離し、ひび割れや破損につながることもあります。この新しい材料は、外観は従来の FRP に似ていますが、構造設計がより堅牢であり、層間剥離、亀裂の伝播、および全体的な構造損傷をより効果的に抑制できます。
報告書によると、研究者らは三次元印刷技術を使用して、複合材料の層の間に特定のパターンを持つ熱可塑性「自己修復剤」の中間層を埋め込み、それによって層間剥離防止能力を大幅に向上させたという。この中間層にはポリ（エチレン・コ・メタクリル酸）（EMAA）を採用しており、通常のFRPに比べて剥離損傷に対する耐性が約2～4倍向上し、クラックの発生や構造損傷を大幅に低減します。
自己修復剤の中間層に加えて、炭素ベースの発熱層も素材の内部に組み込まれています。このデザインは、もう 1 つの重要な革新とみなされます。外部電流が印加されると、これらの加熱層が加熱して EMAA 中間層を溶かし、小さな亀裂に流れ込み、損傷した界面を埋め戻して「溶接」し、いわゆる「熱修復」プロセスを完了します。このメカニズムは、ポリマー鎖の再絡み合いと再構成に由来します。
この新しい材料の自己修復能力を検証するために、研究者らは、引張荷重を加え、試験片に長さ約 2 インチの剥離欠陥を人工的に作成することで、実際の使用環境をシミュレートしました。その後、チームは自己修復プロセスを複数回起動し、この荷重-損傷-修復テストを最大40日間、合計1,000サイクル繰り返して、繰り返しの損傷と修復条件下での材料の構造的完全性の維持を評価しました。
実験結果は、この材料が損傷自己修復サイクルを複数回繰り返した後でも内部損傷を効果的に修復し、明らかな構造劣化を起こすことなく高い靭性を維持できることを示しています。このことから研究チームは、この材料が航空宇宙、再生可能エネルギー、自動車などの産業で大規模に採用されれば、主要部品の耐用年数が現在の典型的な数十年から数百年に延長されることが期待されると判断した。
この論文の筆頭著者であるジャック・トゥリチェク氏は、従来の複合材料と比較して、この新材料は最初から強度が高く、少なくとも500回の損傷修復サイクルの間、構造的損傷によりよく耐えることができると述べた。修理の回数が増えると材料の靭性は徐々に低下しますが、この減衰プロセスは非常にゆっくりであるため、理論的には関連部品の耐用年数を約 500 年に延ばすことができます。一方、従来の FRP 複合材料の一般的な耐用年数はほとんどが 15 ～ 40 年にすぎません。
研究者らは、この材料が工学用途に使用できれば、主要コンポーネントの寿命を延ばし、交換頻度を減らすことで、運用とメンテナンスのコストを削減できると指摘した。また、製造と交換の必要性が減ることでエネルギー消費と産業固形廃棄物の排出も削減され、産業廃棄物の管理と環境保護にとってプラスの意味を持ちます。しかし、彼らはまた、現在の試験は依然として主に実験室環境で行われており、材料が真に成熟した信頼性の高いエンジニアリングソリューションとみなされるには、実際の作業条件下で長期にわたる試験を受ける必要があることも強調しました。