2023 Fiscal Year Final Research Report

Determination of trigger sites for crack formation in aeronautical composite by combining X-ray microscopy and applied mathematics

Research Project

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Project/Area Number	19H00834
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	Kimura Masao 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)
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, 助教 (00743709) 大林一平岡山大学, AI・数理データサイエンスセンター, 教授 (30583455) 武市泰男大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (40636461) 渡邊稔樹京都大学, 人間・環境学研究科, 特定助教 (90851428) 中島健島根大学, 学術研究院機能強化推進学系, 助教 (60935401)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Keywords	X線顕微鏡 / X-CT / 顕微分光 / CFRP / パーシステントホモロジー / 機械学習 / き裂
Outline of Final Research Achievements	We have successfully developed the 4D/5D* observation techniques using X-ray microscopes (*space (2D or 3D) + energy + time), and revealed when and where cracks are initiated under stress at the nanoscale (first in the world). We applied it to CFRP (carbon-fiber reinforced plastic) and revealed the competing two mechanisms: (i) the crack initiation in plastic and (ii) debonding at the interface of carbon fibers and plastic. We combined the information obtained by nanoscopic observation with the one by macroscopic observation and found that the initiation sites are largely affected by the carbon-fiber alignment. Moreover, we have developed a new approach to quantify the carbon-fiber alignment using topological data analysis with persistent homology.
Free Research Field	材料科学、放射光計測、位相的データ解析
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本課題で確立したX線顕微鏡による4次元/5次元観察技術は、従来観察することができなかった「き裂の発生」そのものをナノスケールで解明し、そのマイクロメカニックスの観点からき裂発生のメカニズムを初めて提案した点で学術的かつ工学的なに非常に意義が大きい。さらに本課題で提案した、X線顕微鏡計測と数理科学・情報科学の融合した解析手法は、ビッグデータに内在する情報をフルに引き出す新たなアプローチとして、様々な観察法や材料への展開が期待できる。