2020 Fiscal Year Annual Research Report
Damage evaluation of heat-resistant composites for aircraft engines at elevated temperature using novel fiber-optic sensor-based AE detection method
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18K13920
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
于 豊銘 東京大学, 生産技術研究所, 特任研究員 (50814307)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 高温環境 / 光ファイバセンサ / 再生FBG / アコースティックエミッション / Carbon-Carbon複合材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本助成の最終年度では、光ファイバセンサを用いたアコースティック・エミッション（AE）技術に基づいて高温環境下での耐熱複合材料における損傷進展を解明するという、本研究で最も重要な課題に取り組んだ。
具体的には、1000 ℃まで加熱できる大気炉の内で実施する、Carbon-carbon(CC)複合材料の三点曲げ試験において、今までに構築してきた遠隔AE計測法を組み込み、その材料試験中に発生したAE信号を測定した。その結果、本提案手法は、1000℃までの高温環境下においても、実際の損傷によるAE信号を安定かつ高感度で計測できることが分かった。
CC複合材の三点曲げ試験では、主に母材き裂、層間剥離、繊維破断といった3種類の損傷が発生する。これらの損傷は、AE発信源としての励起メカニズムに相違があるため、AE波形信号の形状と周波数スペクトルの特徴も異なってくる。そこで、AEデータに対して波形解析と機械学習に基づくクラスタ分析を行うことで、それぞれの損傷形態に対応するAE信号を同定できた。
さらに損傷形態を同定した上で、曲げ荷重の履歴と、各損傷形態に対応する累積AEエネルギー履歴との比較に基づき、温度条件と荷重条件が各損傷の進展挙動に与える影響を調べた。その結果、中間温度（200℃～500℃）範囲では、材料破断時に、層間剥離に対応するAEが急激に増加していたのに対して、600℃以上の高温では繊維破断によるAEの発生が活発になる傾向が現れていた。この現象は、温度上昇に伴ったCC材の酸化によるものだと考えられる。酸化が進むと、母材と繊維との結合強度が弱くなり、繊維に対する母材の保護効果が弱まるため、低い曲げ荷重でも繊維破断が発生することになる。
以上のように、本研究で提案したAE計測手法を用いることで、高温環境での材料試験中に生じた複合材料中の損傷進展挙動を詳細に解明することができた。
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