2014 Fiscal Year Research-status Report
wet granular の破壊特性を決める内部構造の解明
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26400395
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| Research Institution | Nara Women's University |
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Principal Investigator |
狐崎 創 奈良女子大学, 自然科学系, 准教授 (00301284)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中原 明生 日本大学, 理工学部, 准教授 (60297778)
大信田 丈志 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50294343)
松尾 洋介 日本大学, 理工学部, 研究員 (40611140)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 物性基礎論 / 非線形動力学 / レオロジー / 乾燥破壊 / 記憶効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では主にペーストの記憶効果における「揺れの記憶」で、どのような異方性が発生するかを、(1)マクロな応力や変位の測定と、(2)X線CTによる粒子配列の撮影によって調べている。「揺れの記憶」は、初期に水平振動を与えてから乾燥させると、乾燥後に初期振動に垂直な方向の亀裂が優先的に生じる現象で、研究分担者の中原、松尾によって発見され、同じく研究分担者の大信田による有限変形弾塑性論で、振動外力によって残留応力異方性が生じうることが一般的に示されている。
本研究の目的は、乾燥に伴って異方性がどのように発達して亀裂形成に影響するのかを(1)によって、内部のミクロな構造に振動方向がどのように記憶されているかを(2)によって明らかにし、外力を加えたのちに乾燥が進み破壊するまでの記憶効果の一連の過程を総合的に理解する手がかりを得ることである。
初年度は、(1)に関連して、底板の弾性率が小さい容器を使うと、容器の変形として応力の異方性が破壊前に検出できることを新たに見つけ、これを利用した応力測定を試みた。容器の底板として板バネを取り付けた容器を工夫して、レーザー変位計で変位測定を行い、乾燥中のペースト内部の水平応力の連続測定ができる方法を開発した。これにより、これまでの試みに比べよい精度で定量的かつ詳細なペーストの応力を測定することができるようになり、その結果、炭酸カルシウムペーストに振動を与えると、応力に弱い異方性が現れて乾燥とともに大きくなること、また、破壊時の応力に大きな異方性があることが明らかになった。この成果は２回の物理学会で発表を行った。(2)に関しては成果発表には至っていないが、「現在までの達成度」欄に示すように予備的な実験とテスト撮影が概ね順調に進んでいる。
この他、研究分担者の中原らとの共著で乾燥破壊に関する専門書を執筆した。Wielyから2015年5月に出版の予定である。
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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
実績欄に記したように(1)の応力・変位測定に関しては、精度の高い測定方法の開発と、それによる応力異方性の検出に成功した。(2)のX線CTを用いた粒子配列の観察に関しては、島津テクノリサーチ(株)のX線CT装置を用いた撮影を、サンプル郵送による３回のテスト撮影と、３回の研究者立ち会いでの測定で行った結果、当初の予定よりやや準備期間が長くかかったものの、粒子配列像の撮影に成功することができた。
(2)は最初のテスト撮影の結果、当初想定していたコーンスターチと水のペーストでは粒子撮影が困難であることが判明したため、試料や容器を変更して、粉と溶液の再選定を行った。当初計画では、比較的早い段階で系統的な測定に入ることを想定して、初年度に２～３日程度の立ち会い測定を２回予定していたが、新しい素材での相図の作成、撮影条件の探索、撮影容器の工夫などが必要であったため、試行錯誤に適したテスト撮影や１日の立ち会い測定を多く行う方針に切り替えて計画を進めた。結果、概ね試料と撮影方法を確定することができ、年度後半には作成したサンプルに事前に歪み与えるための実験装置も作成してテストを行ったため、次年度には本格的な撮影に移ることができると考えている。これらの立ち会い測定は、連携研究者や研究協力者も可能な範囲で随時参加して行われた。またメンバーで撮影結果を共有し、実験方法や理論に関する議論および撮影データの試験的な解析を進めている。
この他、X線CTに関しては研究分担者の中原らの提案で、磁場に対する記憶効果を示す磁性ペースト試料の分析も合わせて行ったところ、加えた磁場に平行に酸化鉄粒子がチェーン状に配列することがわかるなど、関連する研究も進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)の応力・変位測定は、板バネによる応力測定が期待される結果を得たので、現在、追加の実験を行うとともに、実験結果の解釈について理論的検討を進めている。今後、論文の形で成果をまとめる予定である。また形状測定センサーを購入したので、当初予定していた、ペーストの表面形状の変化をモニターする実験や、亀裂破断面の形状測定についても準備を進め、有望なものから着手したい。
(2)のX線CTを用いた粒子配列撮影に関しては、「現在までの達成度」欄に書いたようにテスト段階がほぼ終了し、撮影用のペースト容器の外注と、歪変形をコントロールする実験装置の工夫を進めている。次年度中に、明瞭な粒子配列を得る条件を調べた後、本測定のための立会測定を行う計画である。これまでの撮影結果から、現在の方法でなんらかの異方性が粒子配列に見えることは十分に期待できると考えている。ただし明確な結論を得るのに十分な精度で、直ちに良好な撮影結果が得られるかどうかはわからない。ペーストの成分、撮影容器の形状や素材、実験装置についてさらに改良が必要な可能性もあるので、今後の撮影結果を確認しながら、研究分担者、連携研究者、研究協力者とともに、得られた撮影結果の解析方法の開発と理論的検討を進めていく。一方、良好な結果が予定より早く得られた場合は、より乾燥が進んだ段階での粒子配列の観察や、異なる素材での撮影を試みる。
これらの実験や測定で一定の結果が出た段階で成果発表を随時行う。また乾燥破壊のより総合的な理論や、塑性を伴う亀裂形成過程の新しい数理モデルの提案に向けて、理論研究や数値シミュレーションも始める予定である。
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| Causes of Carryover |
X線CTによる粒子配列の測定に関して、予備的なテスト撮影と実験を重ねる必要が生じたため、当初予定していた年２回合計５日間の立会測定を、年３回合計３日間に変更した。そのため、本測定に入る時期がやや遅れ、立会測定の費用約２日間分が未使用となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
予備的な実験と撮影が終了し、粒子配列が得られる素材や実験条件がほぼ確定したため、当初予定していた本測定を次年度から開始する予定である。そのため、実施できなかった分も含めた日数で立会測定を行う計画である。
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