2015 Fiscal Year Annual Research Report
熱可塑CFRPの直接その場成形プロセスの解明と実用展開
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25220914
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
石川 隆司 名古屋大学, 学内共同利用施設等, 教授 (90358630)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田邊 靖博 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70163607)
佐宗 章弘 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40215752)
池田 忠繁 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40273271)
酒井 武治 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90323047)
仙場 淳彦 名城大学, 理工学部, 准教授 (60432019)
名波 則路 日本大学, 理工学部, 助手 (20755524)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 複合材料・物性 / 航空宇宙工学 / 炭素繊維強化熱可塑樹脂プラスチック / テーププレイスメント / 衝突破壊 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．直接その場成形法の実現可能性評価と成形プロセスの解明
初年度導入した小型簡易含浸ローラー装置を改修し、半導体レーザーを熱源とした、その場成形方法を検討した。樹脂の加圧接触域での溶融性を上げるため、含浸ローラーを石英ガラスで製作した。レーザー光は石英をほぼ透過するため、加圧接触域で樹脂は直接照射される。PA6樹脂シートを炭素繊維開繊糸で挟んだ試料に対し、成形条件を変えて含浸実験を行った結果、樹脂シートと開繊糸を接着できる条件を見出した。また、レーザーエネルギーの炭素繊維開繊糸への実効吸収率を光線追跡解析により求め、本装置でのレーザー照射条件解析環境を整備した。積層プロセスに関しては、ガス加熱による自動積層装置を用いて、PA6と炭素繊維のプリプレグテープからCFRP積層板を製作し、成形条件が積層板の曲げ強度や層間融着度へ与える影響を調査し、最適成形条件に関する知見を得た。また、最適成形条件において、プレス成形品の７割以上の曲げ強度と剛性が得られた。ボイド量と強度の関係も調べ、強度はボイド量だけでなくその発生位置にも影響することが明らかになった。
２． CFRPの破壊プロセスの解明
高速度ステレオビデオカメラシステムの性能向上を図り、曲げ剛性を算出できようにした。得られた曲げ剛性率と衝撃破壊時のエネルギー吸収能との関係も明らかにした。また、これらを用い、積層構成、および表面処理による界面剪断強度の違いが貫通限界速度や３次元計測から求めた試料たわみによって散逸したエネルギーの衝撃特性に与える影響を明らかにした。
昨年度導入した速度測定装置（Photonic Doppler Velocimeter）に不具合が発生したが、性能を抑えた使用法で計測を行えるようになった。
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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
１．直接その場成形法の実現可能性評価と成形プロセスの解明
樹脂単体、繊維単体、樹脂透過後の繊維のレーザーエネルギー吸収性能、繊維と樹脂の熱伝達性能等の評価を行えている。主要部分を抽出した簡易モデルプロトタイプを製作し、レーザー強度、加圧、送り、繊維や樹脂の種類や厚さ，繊維配向等の成形条件や内部構造と材料中のボイドや材料の強度等の関係を調べている。成形予測のための解析モデルに関しては、現在、融着・積層プロセスに関する成形シミュレーションに焦点を当ており、含浸プロセスに関する解析モデルは未着手であるが、今後の努力により成果が見込まれる。
２．CFRTPの破壊プロセスの解明
鋼球を飛翔体とした衝突試験、鋼球を飛翔体とした衝突試験に関しては、樹脂、繊維、表面処理等により変形破壊挙動に与える影響、そのメカニズム解明など順調に成果を得ている。超高速衝撃に関しては、PVD装置の不具合により、今のところその装置による結果は得られていない。パワーを抑えるなどにより使用はできるので、今後フランスの製造元に送り返して修理する必要があるが、実験の進捗とも総合判断して適宜対応していく予定である。このような制約はあるが、今後の努力により成果が見込まれる。
１、２を総合的に判断し、一部に遅れはあるものの、「おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．直接その場成形法の実現可能性評価およびCFRTPの成形プロセスの解明
平成27年度までに開発した半導体レーザーと石英ガラスローラー－金属ローラー/平板システムの小型簡易含浸/積層装置をさらに改良し、直接その場成形法の原理実証とその試作CFRTPの含浸・積層評価を行う。本装置では、レーザー加熱長およびローラー加圧長を独立に変えられることが特徴であり、金属ローラー側に耐熱ゴムを装着したローラーを開発し、この機能を強化して成形条件を広げる。改良されたシステムを使って、別々に供給される炭素繊維開繊糸と熱可塑性樹脂テープを重ねてローラー加圧し、加圧された試料端面を観察することにより、樹脂含浸深さおよびボイド分布を調査する。また、樹脂が含浸した炭素繊維束を用いて積層板に対して同様な評価を行い、直接その場成形法での成形可能条件を明らかにする。また、炭素繊維束を熱可塑性樹脂テープに含浸させ、基材に融着させるための適切な成形条件を解析モデルより推定し、含浸程度とボイド発生場所を予測するシステムを構築する。
２．CFRTPの破壊プロセスの解明
H27年度の研究において、炭素繊維をPAとの接着強度を増加させる有効な手法を見いだすことができたが、含浸性能の問題で気孔率の低いCFRTPを作製できなかったので、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性を制御できる含浸性の高い、炭素繊維表面処理方法の確立を目指す。また、界面接着強度を制御したCFRTPについて、変形や破壊が大きい飛翔体を用いた十分な衝突実験が実施できていないので、表面処理方法検討の結果を踏まえて、適切な界面制御が行われたCFRTPのたわみによるエネルギー散逸と破壊の詳細機構の解明を行う。PDVを用いた衝撃強度評価においては、小型加速装置を製作しPDV計測システムを完成し、テーププレイスメント製品の衝撃強度評価を行う。
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Research Products
(14 results)
