2017 Fiscal Year Research-status Report
Multi-scale electric impedance modeling of CFRP laminates with interlayers
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17K06057
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
黄木 景二 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (70281194)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | CFRP / インピーダンス / モデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の平成２９年度の目的は，層間強化型CFRP積層板について，①インピーダンスの周波数依存性と寸法依存性およびその値のバラツキのデータベースを取得すること，②パルス電流に対する過渡応答結果と微視構造の観察結果を加えてミクロユニットセルモデルを構築すること，である。
①については，積層数（厚さ）が2，8，16層の場合の一方向積層板について，LCRメーターを用いてインピーダンスの周波数依存性と寸法依存性をバラツキとともに測定し，データベース化した。この際，単一の大きなCFRP板を順次分割していくことによって，分割後のR成分の値の平均値が分割前の値にほぼ等しくなるように測定条件を調整することにより，高精度な測定を達成できた。さらに，この寸法依存性のバラツキが対数正規分布の畳み込み積分によって表されることが示された。これにより，寸法が小さいほどR成分のバラツキが大きいことを数学的に表現することができた。
一方，②については，微視構造の観察により，層間の厚さの変動と基材層から層間樹脂層への炭素繊維のランダムな侵入がバラツキに起因していることを解明した。その一方で，パルス過渡応答からL成分はなく，均質材料とみなせば，ミクロにもマクロにもRC並列回路で表せることが明らかになった。特にC成分の空間的ばらつきが小さいことが実験的に示された。次に，パルス電流に対する電磁場解析（ジュール熱解析）を通してモデルの妥当性を検証した。
上記①，②については，厚さ方向のインピーダンス特性であるが，面内の繊維方向，直交方向については，従来のばらつきのないRC並列回路で概ね表されることが実験的に明らかになった。
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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
平成２９年度の目標の①インピーダンスの周波数依存性と寸法依存性およびその値のバラツキのデータベース化，については一方向積層板についてはデータベース化が終了した，②パルス電流に対する過渡応答結果と微視構造の観察結果を加えてミクロユニットセルモデルを構築すること，については，抵抗成分についてのみバラツキを表す数理モデルを構築できた。以上により，おおむね順調に進展していると判断される。
一方，今後の課題として，クロスプライ積層板，擬似等方積層板についてのデータ取得とキャパシタンス成分に関する空間分布の測定が必要である。
最後に，面内の繊維方向，直交方向については従来モデルでよいが，雷撃のように直交異方性導電率の影響が大きい過渡的電磁場解析に適用するためには，数理モデリングだけでなく，数値シミュレーションによる現象の理解が必要となる可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
均質材料とみなしたとき，ミクロ，マクロともに三方向の直交異方性インピーダンス特性がRC並列回路によって表されることが明らかになったが，これを不均質材料とみなしてマルチスケールモデリングを行うことにより，ミクロ物性とマクロ物性を結びつけることが今後の課題である。そのために，①簡易手法としてはミクロユニットセルモデル（等価回路モデル）と積層理論の組み合わせ，もしくは，②厳密手法としてマクスウェル方式に基づく理論的解法もしくは数値解法，によって課題を検討する。またバラツキについてはR,C成分に空間分布を持たせることにより，積層板としてのインピーダンス特性の値のバラツキと寸法依存性を同時に表すマクロモデルを構築する。
さらに，応力依存性を考慮するために，ピエゾインピーダンスモデルに拡張する。これは変形（ひずみ）により抵抗成分とキャパシタンス成分が変化することを組み込むことによって可能である。
温度依存性については，電極近傍で形成される回路網のR,C成分の変動分を除去する必要があり，恒温槽以外の手法としてジュール熱を用いるなどの工夫が必要である。
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