Creation of nano spatial structure on metal surface and development of direct bonding technology for dissimilar materials

• Project/Area Number: 18H01342
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: Hosoi Atsushi 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60424800)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 荒尾 与史彦 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (40449335)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2018: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000)
• Keywords: 異種接合 / CFRP / ナノ構造 / CFRTP / 接合 / 異種材料 / ナノ空間構造 / 複合材料 / 金属 / ナノ界面 / 接着 / 異種接着 / 界面 / 疲労

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study was to establish a dissimilar bonding technology for carbon fiber reinforced thermoplastic (CFRTP) laminates and metallic materials with nanostructures. The fracture toughness of the interface was significantly increased in specimens with interfacial nanostructure. The fracture surface observation revealed that the fracture mode changes from brittle fracture to ductile fracture. The results of crack propagation simulation showed that the crack propagation of the specimen with nanostructure was similar to the fracture mode in the plane stress state, which was suggested to be due to the decrease of stress triaxiality near the crack tip by the nanostructure.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、従来接着特性が悪いとされていたCFRTPと金属の新しい異種接合技術を提案した。接合界面にナノ構造を創製し、化学的表面処理を施すことによって、世界トップレベルの接合特性を発現することに成功した。従来トレードオフ関係にあった接合強度と破壊靭性の両方を向上させることができ、且つホットプレスで容易に接合可能であることから、プレス成形への展開も可能であり、今後の実用化に期待できる成果である。

Research Products

• [Journal Article] Effect of interfacial nanostructure on mode mixity in directly bonded carbon fiber reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloy considering thermal residual stress (2021)
  • Author(s): Hiroki Ota, Kristine Munk Jespersen, Kei Saito, Keita Wada, Atsushi Hosoi, Hiroyuki Kawada
  • Journal Title: Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing Volume: 15 Issue: 4 Pages: JAMDSM0051-JAMDSM0051
  • DOI: 10.1299/jamdsm.2021jamdsm0051
  • NAID: 130008059215
  • ISSN: 1881-3054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fatigue delamination growth characterization of a directly bonded carbon-fiber-reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloys with surface nanostructure using DCB test (2021)
  • Author(s): Saito Kei、Jespersen Kristine M、Ota Hiroki、Wada Keita、Hosoi Atsushi、Kawada Hiroyuki
  • Journal Title: Journal of Composite Materials Volume: - Issue: 22 Pages: 3131-3140
  • DOI: 10.1177/00219983211009282
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of the interfacial nanostructure on the interlaminar fracture toughness and damage mechanisms of directly bonded carbon fiber reinforced thermoplastics and aluminum (2020)
  • Author(s): Ota Hiroki、Jespersen Kristine Munk、Saito Kei、Wada Keita、Okamoto Kazuki、Hosoi Atsushi、Kawada Hiroyuki
  • Journal Title: Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume: 139 Pages: 106101-106101
  • DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.106101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental measurement of mode-I fracture toughness of dissimilar material joints with thermal residual stresses (2020)
  • Author(s): Jespersen Kristine M.、Ota Hiroki、Harada Kazuki、Hosoi Atsushi、Kawada Hiroyuki
  • Journal Title: Engineering Fracture Mechanics Volume: 238 Pages: 107249-107249
  • DOI: 10.1016/j.engfracmech.2020.107249
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] アルミニウム合金とCFRTP積層板の異種接合の強度と破壊形態に及ぼす表面ナノ構造の影響 (2020)
  • Author(s): 和田啓汰，大田宙起，齋藤慧，クリスティーン ムンク イエスパーセン，細井厚志，川田宏之
  • Journal Title: 日本複合材料学会誌 Volume: 46 Pages: 162-169
  • NAID: 130008068244
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CFRTPとAlの異種接合 (2020)
  • Author(s): 細井厚志
  • Journal Title: 材料 Volume: 69 Pages: 563-567
• [Journal Article] アルミニウム合金とCFRTP積層板の異種接合の強度と破壊形態に及ぼす表面ナノ構造の影響 (2020)
  • Author(s): 和田啓汰、大田宙起、齊藤慧、クリスティーンイエスパーセンムンク、細井厚志、川田宏之
  • Journal Title: 日本複合材料学会誌 Volume: -
  • NAID: 130008068244
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CFRP/CFRTPとマルチマテリアルの接合 ２．CFRTPとAlの異種接合 (2020)
  • Author(s): 細井厚志
  • Journal Title: 材料 Volume: -
  • NAID: 130007877990
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The effect of nanospike structures on direct bonding strength properties between aluminum and carbon fiber reinforced thermoplastics (2019)
  • Author(s): H. Abe, J.C. Chung, T. Mori, A. Hosoi, K.M. Jespersen, H. Kawada
  • Journal Title: Composites Part B: Engineering Volume: 172 Pages: 26-32
  • DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.05.025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Damage mechanisms of directly bonded carbon fibre reinforced thermoplastics and aluminium with nanostructured surface (2018)
  • Author(s): K. M. Jespersen, J. C. Chung, K. Okamoto, H. Abe, A. Hosoi, H. Kawada
  • Journal Title: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Volume: 388 Pages: 012011-012011
  • DOI: 10.1088/1757-899x/388/1/012011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 3Dナノ構造を有するアルミニウムと熱可塑性炭素繊維強化プラスチックの直接接合技術 (2018)
  • Author(s): 細井厚志
  • Journal Title: プラスチックス Volume: 10 Pages: 23-25
• [Presentation] 界面ナノ構造を有するアルミニウム合金とCFRTP積層板の異種直接接合材の層間破壊特性評価 (2021)
  • Author(s): 大田宙起，Kristine Munk Jespersen，齊藤慧，和田啓汰，細井厚志，川田宏之
  • Organizer: 第12回日本複合材料会議
• [Presentation] Effect of interfacial nanostructure on mode mixity in directly bonded carbon fiber reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloy with thermal stresses (2020)
  • Author(s): Hiroki Ota, Kristine Munk Jespersen, Kei Saito, Keita Wada, Kazuki Okamoto, Atsushi Hosoi, Hiroyuki Kawada
  • Organizer: JSME 2020 Conference on Leading Edge Manufacturing/Materials and Processing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 直接接合アルミニウム/CFRTP FMLのホットプレス成形性に及ぼす接合界面処理条件の影響 (2020)
  • Author(s): 和田啓汰，會澤諒，細井厚志，荒井広明，川田宏之
  • Organizer: 日本材料学会2020年度JCOM若手ウェビナー
• [Presentation] 繊維強化複合材料の疲労における長期信頼性評価 (2020)
  • Author(s): 細井厚志
  • Organizer: 第45回複合材料シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] アルミニウム合金とCF/PEEK積層板の接合強度に及ぼすナノ構造の影響 (2020)
  • Author(s): 空岡利奈，會澤諒，岡本和起，細井厚志，吉村健佑，川田宏之
  • Organizer: 日本機械学会2020年度年次大会
• [Presentation] 熱溶着によるCF/PA6積層板とAl合金板の接合強度に及ぼす表面処理の影響及び量子化学シミュレーションによる評価 (2020)
  • Author(s): 岡本和起，曾澤諒，空岡利奈，細井厚志，国吉ニルソン，リコウ，Kristine Munk Jespersen，川田宏之
  • Organizer: 第11回日本複合材料会議
• [Presentation] CFRTP 積層板とアルミニウム合金の直接接合における層間破壊靱性の評価 (2020)
  • Author(s): 原田和樹，Jespersen Kristine Munk，大田宙起，齊藤慧，和田啓汰，細井厚志，川田宏之
  • Organizer: 日本機械学会関東支部第26期総会・講演会
• [Presentation] The effect of nano-structured surface of aluminum alloy directly bonded to CFRTP on fatigue delamination growth properties (2019)
  • Author(s): Kei Saito, Kristine Munk Jespersen, Hiroki Ota, Keita Wada, Kazuki Okamoto, Atsushi Hosoi, Hiroyuki Kawada
  • Organizer: 1st Russia-Japan Joint Workshop on Composite Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Damage mechanisms and mechanical properties of directly bonded CFRTP and aluminium with nano-structured surface (2019)
  • Author(s): Kristine Munk Jespersen, Hikaru Abe, Hiroki Ota, Kei Saito, Keita Wada, Atsushi Hosoi, Hiroyuki Kawada
  • Organizer: 36th Conference & 30th Symposium of the International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 直接接合されたナノ構造を有するアルミニウム合金とCF/PA積層板の強度発現及び損傷メカニズム (2019)
  • Author(s): Jespersen Kristine Munk，阿部暉，齊藤慧，大田宙起，和田啓汰，細井厚志，川田宏之
  • Organizer: 日本機械学会2019年度年次大会
• [Presentation] CFRTP積層板とアルミニウム合金の直接接着における層間破壊靭性へ及ぼす界面ナノ構造の影響 (2019)
  • Author(s): 大田宙起，Kristine Munk Jespersen，齊藤慧，和田啓汰，岡本和起，細井厚志，川田宏之
  • Organizer: 第61回構造強度に関する講演会
• [Presentation] アルミニウム合金とCFRTP積層板の接着強度と破壊形態に及ぼす表面ナノ構造の影響 (2019)
  • Author(s): 和田啓汰，Kristine Munk Jespersen，大田宙起，齊藤慧，細井厚志，川田宏之
  • Organizer: 日本繊維機械学会第72回年次大会
• [Presentation] アルミニウム合金および CFRTP 積層板の直接接着部における 疲労はく離成長特性の評価 (2019)
  • Author(s): 齊藤慧，Kristine Munk Jespersen，阿部暉，大田宙起，和田啓汰，細井厚志，川田宏之
  • Organizer: 第10回日本複合材料会議（JCCM-10）
• [Presentation] Direct bonding between carbon fiber reinforced thermoplastics and aluminum alloys and its soundness evaluation by non-contact ultrasonic testing (2018)
  • Author(s): Kazuki Okamoto, Joon Cheol Chung, Hikaru Abe, Atsushi Hosoi, Naoki Ishida, Shingo Matsukawa, Kristine Munk Jespersen, Hiroyuki Kawada
  • Organizer: 26th International Conference on Composites/Nano Engineering (ICCE-26)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Damage mechanisms of directly bonded carbon fibre reinforced thermoplastics and aluminium with nanostructured surface (2018)
  • Author(s): Kristine Munk Jespersen, Jooncheol Chung, Kazuki Okamoto, Hikaru Abe, Atsushi Hosoi, Hiroyuki Kawada
  • Organizer: 39th Riso International Symposium on Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アルミニウム合金とCFRTPの接着強度に及ぼす表面ナノ構造の影響 (2018)
  • Author(s): 和田啓汰，阿部暉，Kristine Munk Jespersen，細井厚志，川田宏之
  • Organizer: 日本材料学会2018年度JCOM若手シンポジウム
• [Presentation] アルミニウム合金とCFRTP積層板の直接接着継手における破壊靱性の評価 (2018)
  • Author(s): 阿部暉，大田宙起，齊藤慧，和田啓汰，Kristine Munk Jespersen，細井厚志，川田宏之
  • Organizer: 第26回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2018)
• [Book] 接着・接合の支配要因と最適化技術「ナノ界面接合技術によるAl/樹脂、CFRPの接合メカニズムと強度評価」 (2021)
  • Author(s): 細井厚志他
  • Publisher: S&T出版
  • ISBN: 9784907002848
• [Book] シランカップリング剤の使い方と応用事例 (2019)
  • Author(s): 細井厚志，Kristine Munk Jespersen他
  • Total Pages: 360
  • Publisher: サイエンス＆テクノロジー
  • ISBN: 9784864282185
• [Remarks]
  • URL: https://www.hosoi.amech.waseda.ac.jp/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.hosoi.amech.waseda.ac.jp/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.hosoi.amech.waseda.ac.jp/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 破壊靭性試験装置及び破壊靭性試験方法 (2019)
  • Inventor(s): 細井厚志，川田宏之，原田和樹、イエスパーセンクリスティーンムンク
  • Industrial Property Rights Holder: 細井厚志，川田宏之，原田和樹、イエスパーセンクリスティーンムンク
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-205932
  • Filing Date: 2019