複合材料の特性発現モデルにおけるマイクロメカニックスとメゾメカニックスの融合

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08455051
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 関根 英樹 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20005359)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 正喜 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80292233) ; 白畑 洋 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (20005482)
• Keywords: 複合材料 / 特性発現モデル / マイクロメカニックス / メゾメカニックス / 数値シミュレーション / 荷重負担機能 / 界面の微細構造

Research Abstract

繊維強化複合材料を対象として、特性発現モデルにおいてマイクロメカニックス研究とメゾメカニックス研究を融合させ、荷重負担機能の解明を行うために次の三つのテーマについて研究を実施した。
1. 透過型電子顕微鏡による繊維と母材の界面の微細構造の観察結果を検討し、さらに界面における素過程の分子動力学的な手法による解明を検討した。
2. マイクロメカニックス研究の成果を、特性発現モデルにおけるメゾメカニックス研究に融合させ、荷重負担機能を予測できるコンピュータ・プログラムの開発を行った。本コンピュータ・プログラムを用いて、超微粒子超硬合金の曲げ強度を予測した結果、予測値と実測値の間で良好な相関が得られ、予測法の有効性を確認した。さらに、ガラス繊維強化ポリマー複合材料の酸環境下での応力腐食に起因する巨視的き裂進展速度について検討し、巨視的き裂進展速度に関する経験則であるベき乗則について合理的な説明を与えた。
3. 荷重負担機能予測のためのコンピュータ・プログラムに組み込む簡便な最適化コードを整備した。本最適化コードを組み込んだコンピュータ・プログラムを用いれば、二成分系セラミックス複合材料を対象としたとき、既定の破壊じん性値を与えるセラミックスの組成分布を容易に求めることができ、セラミックス複合材料の材料設計に有効な手段となることがわかった。さらに、構成素材の特性、幾何形状、界面における特性の制約条件のもとでの荷重負担機能の実現可能な最大値を予測する最適化法を提案した。また、研究全体の検証を行った。

Research Products

• [Publications] H.Sekine: "A Physically Based Micromechanical Theory and Diagrams of Macroscopic Stress-Corrosion Cracking in GFRP Laminates" Proceedings of the Eighth Japan-U.S.Conference on Composite Materials. 199-208 (1998)
• [Publications] 関根英樹: "超微粒子超硬合金の曲げ強度の計算力学に基づく予測法" 素材物性学雑誌. 11・1. 13-22 (1998)
• [Publications] H.Sekine: "A Physically Based Micromechanical Theory of Macroscopic Stress-Corrosion Cracking in Aligned Continuous Glass-Fibre-Reinforced Polymer Laminates" Composites Science and Technology. 58・10. 1659-1665 (1998)
• [Publications] A.M.Afsar: "Note on Optimum Composition Profile in Semi-Infinite Functionally Graded Materials with Periodic Edge Cracks for Enhancement of Apparent Fracture Toughness" 第23回複合材料シンポジウム講演要旨集. 158-159 (1998)