圧縮成形の高速化と疲労強度の最大化を実現する繊維強化複合材料の開発

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K14821
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松尾 剛 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80589490)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 複合材料 / 画像相関法 / 疲労特性 / 面外特性

Outline of Annual Research Achievements

炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（熱可塑性CFRP）の信頼設計において最も重要な面外特性に着目して，その疲労強度の発現メカニズムを解明するため，まず面外方向基本特性の検出を試みた．そのために，熱可塑性CFRPの成形板から矩形断面の試験片を切り出し，目違いに溝を加工してそこに圧縮負荷を与えることによって，面外せん断変形を与えるという，標準規格試験法を応用し，その目違い溝の深さを従来より深く加工して面外変形領域を拡大する試験法によって応力ひずみ関係を直接取得するための計測システムを活用した．
その過程で，面外ひずみを，DIC（デジタルイメージコリレーション）という画像解析ツールによってひずみ分布を測定する方法を検証した．画像に収める画角は試験片サイズから極狭い領域であり，カメラ・レンズの高精度化が課題であったが，光軸方向の誤差を抑えつつ，レンズ収差が小さいテレセントリックレンズを用いることを試みた．同時に，有限要素法（FEM）を用いた数値シミュレーションによって，ひずみ分布の広がり方や絶対値を求め，DICによって測定されたひずみ分布が理論的に妥当なものかどうかを検証した．その結果，DICとFEMによるひずみ分布が一致することが確認でき，面外応力ひずみ関係を初めて明確に精度高く測定することができた．
一方で，同じ熱可塑性CFRPを用いてその疲労特性を評価した．疲労限度線図によって応力比の影響を定量的に扱えるかどうかを検証するとともに，環境温度の変化による影響を調査した．その結果，曲げ疲労においては圧縮側の層間剥離を伴う亀裂進展が確認でき，最終的に破断に至ることが確認できた．高温条件下では静的強度比で相対的に耐久性が上がることが分かり，樹脂の高延性化＝高靭性化の影響が推察された．つまり，疲労特性においてはマトリックス樹脂の特性が支配的であることが分かった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

DIC（画像相関法）によって，極小領域のひずみ測定の高精度化まで実現でき，それによって熱可塑性CFRPの面外特性の非線形挙動を明らかにできた．さらに，疲労試験によって，特に樹脂の塑性挙動に起因すると推測される，面外方向の層間剥離による疲労メカニズムまで分析できた．面外特性と圧縮流動における定量的なメカニズムまでは未解明であるが，塑性挙動と粘性挙動の実験結果から類似の傾向を示すことが確認できている．

Strategy for Future Research Activity

熱可塑性CFRPの面外特性の疲労実験を推進し，同時に，樹脂の疲労挙動も実験によって明らかにして，樹脂塑性力学と面外疲労メカニズムの相関関係を明確にする．数値解析シミュレーションあるいは簡単な力学モデルを構築して，疲労特性を定量的に予測できる手法を検討する．

Causes of Carryover

当初外注による導入を予定していた数値解析力学モデルの構築については既存の汎用アプリケーションによってまかなうことが出来たが，その分，計算時間の短縮化のためにハイスペック計算マシンを導入した．また，実験数も当初計画より少ない本数で基礎的な検証まで完了した．一方，次年度は当初の面外疲労試験だけでなく，樹脂単体での疲労試験を温度条件も変えて網羅的に行うべきと判断した．よって，計算マシンの導入と力学モデル構築の差額分を試験片作製の追加費用に改めて充当する必要がある．