構造・材料同時最適設計のための複合材料システムの微視的損傷発生・進展評価法の構築

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06555291
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 武田 展雄 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教授 (10171646)
• 研究分担者: 榎 学 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教授 (70201960) ; 岸 輝雄 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40011085)
• キーワード: 複合材料 / 微視的損傷 / 超音波顕微鏡 / フォトリソグラフィ / 層間変形 / シミュレーション

研究概要

本研究の目的は、複合材料システムの構造・材料同時最適設計を目指した、繊維とマトリックスの相互作用や界面層挙動を含む微視的変形・破壊特性を求める定量的実験評価手法を確立することにある。具体的には、複合材料の微視的変形・破壊プロセスをその場観察するシステムとして、任意の負荷・除荷サイクルが与えられる負荷ステージをもつ、以下に示す各種顕微鏡装置を用いる。(a)光学顕微鏡(OM)負荷下その場観察装置、(b)走査型電子顕微鏡(SEM)負荷下その場観察装置、(c)走査型超音波顕微鏡(SAM)負荷下その場観察装置、(d)SAMを応用した局所弾性率、減衰率評価装置。
本年度の主な成果は以下の通りである。
(1)フォトリソグラフィ法を応用して試験片に、金属からなるミクロン単位の平行細線または微小格子を描画する手法を開発し、CFRP直交積層板の側面における負荷過程中の変形や損傷発生・進展を可視化することに成功した。この方法によれば、亀裂開口変位や層間に集中するせん断変形をきわめて正確に測定できる。また、この実験結果は熱応力を考慮した理論解析により説明された。
(2)SAMによる異方性媒体中の波動伝播シミュレーションを行い、異方性特有に生じる特徴を明らかにした。また、CFRP直交積層板90°層内のマトリックスクラックの映像シミュレーションを行い、新たに開発された広開口角レンズを用いて得られた実際の映像を十分説明できることを示した。
(3)SiC繊維表面に厚さの異なるカーボンコーティングをCVDにより施し、ホットプレスにより複合化したガラス基一方向または直交積層板について、試験中の各荷重段階において、表面のレプリカをとるこことにより、マトリックスクラックなどのセミミクロな変形・破壊プロセスに与える界面処理の効果を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] N.Takeda,D.Y.Song,K.Nakata,T.Shioya: "The Effect of Fiber Surfacs Treatment on the Micro‐Fracture Progress in Glass Fiber / Nylon 6 Composites" Composite Interfaces. 2. 143-155 (1994)
• [文献書誌] N.Takeda,S.Ogihara,A.Kobayashi: "Micromechanical Characterization and Modeling of Fatigue Damage Evolution in CFRP Laminates-Towards Damage Tolerance Design-" Estimaton,Enhancement and Control of Aircraft Fatigue Performance,Proc.18th Symp.Int.Committise on Aircraft Fatigue(ICAF). (1995)
• [文献書誌] T.kosaka,N.Takeda,C.Miyasaka: "Performance Simulation of High‐Resolution Scanning Acoustic Microscopy for Transverse Crack Detection in CFRP Laminates" Proc.7th Japan ‐US Comf.Comp.Mater.(1995)
• [文献書誌] S.Ogihara,N.Takeda,A.Kobayashi: "Mecroscopic Damage Growth Characterization of Quasi‐Isatropic CFRP Laminates by Scanning Acoustic Microscopy" Proc.7th Japan ‐US Comf.Comp.Mater.(1995)
• [文献書誌] N.Takeda,H.Niizuma,S.Ogihara: "Micro‐Deformation and Damage Analysis.of CFRP Laminates by Micro‐Grid Methods" Proc.4th Japan Int.SAMPE Symp.(1995)
• [文献書誌] N.Takeda,T.Kosaka,C.Miyasaka,T.Endo: "Scannig Acoustic Microscopy for High‐Resolution Damage Detection in Anisotropic Composites-Simulation and Experiments-" Proc.4th Japan Int.SAMPE Symp.(1995)