三次元ナノ空間構造体による接合界面の応力場制御と異種接合技術への展開
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21H01219
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
細井 厚志 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60424800)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
須賀 健雄 早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (10409659)
岩瀬 英治 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70436559)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000)
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| Keywords | 異種接合 / ナノ構造 / CFRTP / 応力場制御 / 金属 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、金属表面に高秩序・高密度の3D金属酸化物ナノ空間構造体を創製し、その形状及び空間位置を最適に設計することで接合界面層の応力場を制御し、トレードオフ関係ある接合強度と層間破壊靭性の両方を飛躍的に向上させる熱可塑性炭素繊維強化プラスチック（CFRTP）と金属の直接接合技術を確立することを目的とする。本研究の技術が確立されることにより、CFRTPと金属の接着性に乏しいという課題を一挙に解消し、航空機や自動車分野のマルチマテリアル構造技術が促進されることや、スマートフォンやPCの筐体の接着技術への応用など、我が国において産業規模の大きい分野への展開も期待できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，車両重量の軽量化による燃費向上が求められている．そこで，比強度，比剛性，リサイクル性に優れ，プレス成型可能な炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics : CFRTPs）を適材適所に用いた材料のマルチマテリアル化が進められている．金属とCFRTPの接合方法において，従来の接着剤接着や機械的締結は重量増加や品質管理の問題があり，新たな接合技術が求められている．これまで，アルミニウム合金表面にナノ構造を作製し，シランカップリング処理による化学結合によって直接接合する方法を提案してきた．繊維強化複合材料の層間破壊靭性評価方法としてDouble Cantilever Beam (DCB)試験がASTMやJIS規格に規定されており広く用いられているが，その評価手法は線形破壊力学に基づいており，材料の塑性変形が生じるほどの強固な直接接合試験片に対して破壊靭性を正しく評価できない．そこで本研究では，異種接合材の弾塑性特性および熱残留応力を考慮できる理論モデルの構築と実験的評価方法の提案を目的とした．J積分はき裂成長に伴うポテンシャルエネルギの変化量であり，DCB試験片をモデル化とすると，境界条件から荷重Pが寄与する機械的J積分，Jmechの値は，荷重Pと，荷重点のたわみ角θによってのみ決定される．一方で，熱残留応力による熱的エネルギーJtherは接合部のみ影響を受ける．計算の結果，機械的および熱的エネルギーは互いに独立していることが分かった．重ね合わせの原理よりこれらの合計が，熱残留応力を有する異種材接合試験片の塑性変形を考慮した見かけの層間破壊靱性と言える．実験結果から，機械的エネルギーのみを比較した場合，線形破壊力学を仮定したエネルギー解放率Gでは破壊靱性を過大評価していることが分かった．一方で数値シミュレーションとの比較はJ積分の実験結果とよく一致していることが示された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コロナ禍の影響で物品の納期に遅れなど生じたが、その後状況が改善し概ね計画通りに研究を推進できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
界面の凹凸構造が接合界面の破壊靭性に影響を及ぼしており、最適な凹凸構造を実験及び解析的側面から明らかにしていく。
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Report
(1 results)
Research Products
(7 results)
