2021 Fiscal Year Research-status Report
Design of Pseudo-ductility in Fibre Reinforced Composites by Controlling Interlaminar Properties
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21K04482
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
中谷 隼人 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (90584417)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 炭素繊維複合材料 / 擬似的延性挙動 / フラグメンテーション / 層間破壊靭性 / アコースティックエミッション / ファイバメタル積層材 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，独自技術である種々の層間メッシュ層の導入により繊維強化複合材料積層板の層間特性をコントロールし，材料のカタストロフィックな破壊につながる損傷を抑制しつつ，材料のフラグメンテーション（多数の小規模な破壊が広範囲に分布した状態）を発生させる．これにより，複合材料の適用範囲の拡大につながる擬似的延性挙動の付与が可能となる技術を確立することを目的としている．
研究初年度となる2021年度は本研究テーマの基幹である，繊維強化複合材料積層板のフラグメンテーションと擬似的延性のメカニズムの理解に取り組んだ．一箇所の繊維不連続部を有する0°(荷重方向)層とアングルプライ(45°/-45°)層によって構成された種々の積層構成のCFRP積層板に対して引張試験を実施し，層間メッシュ層導入の有無による繊維不連続部周辺の損傷挙動の違いを比較した．その結果，層間メッシュ層を導入する層間と位置を工夫することで，45°/-45°層間のみにある程度の層間はく離を許容しつつ，この領域周辺にて小規模な母材き裂が大量に蓄積することを端面観察より示し，繊維不連続部付近での破断ひずみがそれ以外の場所の数倍となることを示した．また，引張試験中のアコースティックエミッション（AE）測定により，試験開始から破断直前まで絶えずAEが観測されることを示した．これより，繊維不連続部と層間メッシュ層の組み合わせにより，任意の場所での損傷発生と損傷蓄積をコントロールすることでフラグメンテーションが発生し，これが擬似的延性につながることを明らかにした．同時に，擬似的延性によるエネルギー吸収を用いた材料設計の準備として，CFRPアングルプライ積層板に層間メッシュ層を導入し，これが切り欠きや面外衝撃損傷を有する場合の引張負荷や疲労負荷における残留強度・疲労寿命やそのときのフラグメンテーション挙動の評価に関する取り組みも始めた．
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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
擬似的延性のベースとなるアングルプライ層と強度向上のための0°層を組み合わせたCFRP積層板におけるフラグメンテーション発生が，0°層の繊維不連続部と層間メッシュ層導入により材料の破断を回避しつつ微小損傷の発生・蓄積をコントロールすることによって可能であることを詳細な端面観察やAE測定により明らかにした．さらに，フラグメンテーションと応力－ひずみ挙動での擬似的延性の関係を示すことで，ここで提案する手法が有望であることを確認できたことなど，期待した成果が得られた．CFRP全体のひずみ分布や，擬似的延性によるエネルギー吸収についてはさらなる評価が必要であると考えるが，この内容については主に研究2年目以降に計画しているものであるため，本研究課題の進捗について影響はないとした．以上のことから，初年度の計画をほぼ達成できているため，本研究課題はおおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの評価では1箇所のみの導入であった繊維不連続部を材料内に複数個所設け，引張負荷下での材料全体のひずみ分布をデジタル画像層間法（DIC）により取得し，擬似的延性挙動とグローバルおよびローカルひずみの関係についての評価を進める．さらに，繊維不連続部の面内方向の2次元的配置についても様々なパターンを検討し，さらなる擬似的延性の発現に取り組む．
また，金属薄板と繊維強化複合材料と交互に積層させたファイバメタル積層材（FML）を評価対象とし，複合材料の層間特性だけでなく複合材/金属界面の特性もモディファイすることにより，フラグメンテーションによる擬似的延性を付与できることを明らかにしていく．同時に，擬似的延性による複合材料の種々の負荷形態におけるエネルギー吸収能の改善についても引き続き取り組む．
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| Causes of Carryover |
2021年度交付分では主にアコースティックエミッション測定のための機器購入を計画しており，AEセンサ，プリアンプ，USBオシロスコープについては購入したが，当初予定していた市販の計測システムは導入せずに実験が進められる状況となったため購入する必要がなくなった．その分の予算については実験に用いる消耗品を購入するなど当初の計画よりも有効的に使用できたが，その残りが次年度使用分となった．これに関しては，2022年度請求分と合わせて，主に評価試験のためのCFRPプリプレグや成形資材といった材料費・消耗品費や旅費，その他の費用として有効活用する．
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