2020 Fiscal Year Annual Research Report
Determination of trigger sites for crack formation in aeronautical composite by combining X-ray microscopy and applied mathematics
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19H00834
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
木村 正雄 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (00373746)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
丹羽 尉博 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別助教 (00743709)
大林 一平 国立研究開発法人理化学研究所, 革新知能統合研究センター, 研究員 (30583455)
武市 泰男 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (40636461)
渡邊 稔樹 京都大学, 人間・環境学研究科, 特定助教 (90851428)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | X線顕微鏡 / X-CT / 顕微分光 / 放射光 / CFRP / パーシステントホモロジー / 機械学習 / き裂 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 昨年度、高度化に成功したX線顕微鏡による4次元/5次元観察により、高空間分解能(~50nm)で、応力負荷しながら(in situ)X-CTによる観察を行いCFRP (炭素繊維強化プラスチック)におけるき裂の発生、進展の挙動を調べた。
その結果、Mode I (引っ張り)応力でのミクロ・ナノスケールでのき裂の発生・進展挙動は、 (A)樹脂内でのき裂発生と、(B)炭素繊維/樹脂界面での剥離、が競合して進行し、どちらが優位になるかは、炭素繊維の配列に大きく依存していることが新たに判明した。炭素繊維が離散的に配列し炭素繊維間の距離dがd≧1/2r(ｒ:炭素繊維の半径)程度の領域では(A)モードでのき裂発生、炭素繊維が密に配列しd<1/2r程度の領域では(B)モードでのき裂発生が主体となることが初めて判明した。
(2) 昨年度、高度化に成功した走査型X線顕微鏡(STXM)を用いた炭素の化学状態をナノスケールでマッピングする技術を用いて、CFRPの観察を実施した。炭素繊維内の黒鉛微結晶のC=C結合由来のπ軌道の配向分布を定量化するために、回転試料台を用いた観察技術を確立した。
(3)顕微鏡ビッグデータの応用数学による解析として、不均一性のかたちをマルチスケールかつ定量的に特徴付ける手法であるパーシステントホモロジー(PH)の高度化に取り組んだ。現状は、解析の対象が二次元データに限られているため、アルゴリズムの改良と計算プログラムの高度化を継続して行った。鉄系酸化物の三次元顕微鏡データを用いて、解析が可能であることを確認し、更に可視化の高度化を推進中である。
(4)なお、当初予定していた耐環境性セラミックスコーティング(EBC)の観察については、試料の製造が困難であることが判明し、代替として鉄系酸化物の還元過程のX線顕微鏡観察に取り組むこととし、その準備を進めた。
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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
CFRP (炭素繊維強化プラスチック)におけるき裂の発生、進展の挙動を、X線顕微鏡による4次元観察(空間3D＋時間)する技術を確立した。それにより、応力印加条件下で亀裂がいつどこで発生するのかをナノスケールで解明することに成功し、当初の想定以上の進捗である。試料の作製・調達が困難となったためEBC酸化物の研究を鉄系酸化物に変更する必要が生じたが、その変更に伴う作業は順調に推移
その一方で、新型コロナウイルス感染症による影響により、代替不能な研究協力者が来所しての実験が困難となった。そのため、4月以降に、研究協力者と破壊の観察実験を延長して実施する必要が生じ、そのための費用を2021FYに繰り越した。
これらから、全体として概ね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)X線顕微鏡による4次元/5次元観察技術を用いて、更にCFRPのき裂の発生・進展に及ぼす応力印加条件の影響を、ナノ~ミクロスケールで明らかにする。特に、本年度Mode I（引っ張り）応力下での挙動が分かったので、 Mode II（剪断）応力下での挙動解明に取り組む。
(2)X線顕微鏡による化学状態のマッピング観察技術を用いて、炭素材料中の炭素の化学状態、鉄系酸化物中の鉄の化学状態、をマルチスケールでマッピングし、反応メカニズムを解明する。そして、ナノ~ミクロスケールでの化学状態の不均一性がマクロ特性に及ぼす因子について調べる。
(3)顕微鏡ビッグデータの応用数学による解析として、不均一性のかたちをマルチスケールかつ定量的に特徴付ける手法であるパーシステントホモロジー(PH)による解析について、二次元から三次元に拡張した解析プログラムを用いて三次元顕微鏡データの解析を進める。特に、解析による特徴量(かたち)を三次元顕微鏡データ上に還元表示する機能の強化を進める。
(4)当初予定していた耐環境性セラミックスコーティング(EBC)の観察については、試料の製造が困難であることが判明したので、代替として鉄系酸化物の還元過程のX線顕微鏡観察に取り組むこととする。
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