CFRPマルチマテリアル接着・溶着構造の破壊伸展特性の解明

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02345
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 吉村 彰記 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20462898)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 後藤 圭太 名古屋大学, ナショナルコンポジットセンター, 助教 (00760935) ; 荒井 政大 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (30260532)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 炭素繊維強化複合材料 / 接着構造 / 破壊靭性

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，CFRP/金属材料間の接着・溶着接合に対して，詳細な破壊メカニズムを学術的に解明し，これを用いたCFRPマルチマテリアル構造の設計技術の実現を目指している。
2019年度は，まずCFRP/CFRP接着接合試験片を製作し，これに対して接着部の破壊試験を実施した。試験は，モードI破壊試験(DCB試験)，モードII破壊試験(ENF試験)，混合モード破壊試験(MMB試験)の三種類である。それぞれの試験について破面の詳細観察を実施した。モードI，モードII破壊の場合は，接着層は凝集破壊を起こしたものの，混合モード破壊の場合はき裂が偏向し，凝集破壊から界面破壊，被着材破壊へと変化することを見出した。
また，接着破壊面の詳細観察を通じ，接着剤内に存在しているキャリアが，破壊の挙動に大きな影響を与えていることを見出した。モードI破壊の場合はキャリアが破面を架橋することにより凝集破壊が誘導されているのに対し，モードII破壊の場合は接着剤のエポキシ樹脂自体が塑性変形することにより凝集破壊が達成されていた。混合モード試験では，き裂偏向が発生した位置にキャリアが存在することがわかっており，キャリアの存在がき裂偏向に影響を与えた可能性が高いことがわかった。
この結果は，接着構造をモデル化する際に，接着部を単一・均一の材料として扱ってはならず，キャリアを適切にモデル化しなければならないことを強く示唆している。次年度以降，この実験結果を元に，接着部のマルチスケールシミュレーションモデルを構築する予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画では初年度にCFRP接着構造の破壊試験及び先進技術による観察を計画しており，実際の研究においても試験・観察を実施した。このため，概ね順調に進捗していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

2020年度には，実験的アプローチと解析的アプローチの2つのアプローチを用いて研究を実施する予定である。
実験的アプローチでは，2019年度に見出した，破壊モード，破壊進展に対するキャリアの影響を実験的により詳細な観察を実施する。特に，混合モード破壊試験について，き裂先端部分に着目したデジタル画像層間法を用いた解析により，き裂近傍での損傷発生，破壊進展の詳細な観察を試みる。
また，解析的アプローチにおいては，接着層内のキャリアを，有限要素モデル内に取り込んで，接着破壊シミュレーションを行うべく，マルチスケール損傷シミュレーション手法の研究を実施する。