2018 Fiscal Year Research-status Report

Multi-scale electric impedance modeling of CFRP laminates with interlayers

Research Project

Project/Area Number	17K06057
Research Institution	Ehime University
Principal Investigator	黄木景二愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (70281194)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	CFRP / インピーダンス / モデリング
Outline of Annual Research Achievements	2018年度の研究項目は，層間強化型CFRP積層板の厚さ方向インピーダンスについて①LCR成分に空間分布を持たせることによってマクロインピーダンスモデルの定式化を行う，②インピーダンスの応力依存性データ（ピエゾインピーダン酢データ）を取得すること，である。①については２，８層のインピーダンス挙動についてＬＣＲメータでインピーダンスを詳細に測定した結果，Ｌ成分がないことが実験的に示されたため，ＲＣ並列回路モデルを用いた周波数依存性を検討した。その結果，低周波数領域で顕著に現れる直流抵抗成分Ｒのバラツキが大きい，および，高周波で顕著に現れるキャパシタンス成分Ｃのバラツキが小さい，という結果からＲ成分のみに空間分布を持たせればよいことが判明した。この空間分布は層間を貫く導電繊維（ＩＬＣＦ）のランダムな分布に起因している。次に，これに基づいて，ＲＣ並列回路ミクロユニットセルからなる１プライ積層板の等価インピーダンス回路モデルを考案し，ｎプライの総和をとった積層板のインピーダンスを定式化した。次に，ユニットセル内のＩＬＣＦの個数確率ｆを仮定し，Ｒのランダム空間分布を考慮した導電率（抵抗率）を考えることにより，寸法効果とバラツキを予測できる個数確率モデルを構築した。本モデルによるインピーダンス挙動は実験結果と定性的に一致していることが示された。さらに，適当なｆを仮定した個数確率モデルが2017年度に確立した対数正規分布畳み込み積分を用いた数理モデルと等価であることが示された。一方，②のピエゾインピーダンスデータについては，非層間強化型積層板のデータについては整理できたが，層間強化型については2019年度初頭にデータベース取得が完了する見込みである。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究実績概要に記載のとおり，①についてはモデリングが完了し，さらに２つの異なる数学的モデルの等価性を示すことができたことは計画以上の成果が得られたと判断される。一方，②については既存の非層間強化型積層板のデータ整理はできたが，層間強化型積層板のデータベース取得が完了していない。その原因は，層間の効果を抽出するために，単一の層間をもつ２プライ積層板を作製したが，非常に薄いため，電極形成と負荷を加えながらのインピーダンスデータ取得に困難が生じたためである。しかし，これに対する解決法（サンプル形状の工夫など）が判明したため，2019年度の早い時期にデータベース化が完了する見込みである。以上から，おおむね順調に進展していると判断した。
Strategy for Future Research Activity	2019年度の研究項目は①ピエゾインピーダンスの温度依存性データ取得，②ジュール熱解析である。①については，薄い２プライ積層板で測定する手法を確立したため，恒温槽付き万能試験機を用いて，ピエゾインピーダンスデータベース取得は迅速に遂行できる予定である。同様により厚い８プライ積層板についてピエゾインピーダンスデータベースを測定することにより，構築したインピーダンスモデルの適用可能性が検討できる。 ②については，必ずしも①のデータベースがなくても，これまでに確立したモデルとインピーダンスデータさえあれば，ＦＥＭなどの数値解析手法でジュール熱解析は可能であり，年度内に完遂することが可能である。 ①，②ともに研究スピードを上げるために，研究協力者として２名の学生とともに実験を進める。また，電気工学を専門とする学内研究者に助言を求める。