耐熱高分子基複合材料の微視的損傷発生・進展モデル化のための実験マイクロメカニクス

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09555198
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 武田 展雄 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (10171646)
• 研究分担者: 荻原 慎二 東京理科大学, 理工学部, 助手 (70266906)
• キーワード: 耐熱高分子 / 複合材料 / 微視損傷 / マイクロメカニクス / 損傷モデル

研究概要

本研究の目的は、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・破壊特性を求めるための定量的な実験評価手法(複合材料の実験マイクロメカニクスと呼ぶ)を提案し、現存、または開発中のいくつかの耐熱ポリイミド基繊維強化複合材料に適用することにより、新規複合材料開発のための手法として確立することにある。
1.実験材料としては、標準材としての180℃硬化のエポキシ樹脂(TGDDM/DDS系)、およびビスマレイミド、熱硬化性ポリイミド、熱可塑性ポリイミドの3種類の耐熱ポリイミドを各々マトリックスとするカーボン繊維強化複合材料を用いて、変形・破壊プロセスの相違を調べる目的で、積層構成としては、基本的なクロスプライ積層板[0/90_4/0]に加え、実用的な疑似等方性積層板[45/0/-45/90/-45/0/45]を作製した。
2.上記疑似等方性積層板についても、クロスプライ積層板での実験に基づいて得られたモデルを参考に、同様な実験を行った。すなわち、基礎となる応力-ひずみ関係を室温から高温にわたり求めた後、室温における負荷中のレプリカ写真観察を行い、(1)90°層内の初期マトリックスクラック発生、(2)マルティプルマトリックスクラック発生、(3)マトリックスクラック端部からの層間剥離発生、の各段階におけるミクロな変形・破壊プロセスを各負荷段階でその場観察を行った。さらに、軟X線透過写真測定を行い、その場観察結果との比較を行った。
3.上記実験結果に基づいて、トランスバースクラックおよび層間剥離進展則を提案し、その有効性と物理的背景を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] N.Takeda, S.Kobayashi, S.Ogihara, A.Kobayashi: "Effects of toughened interlaminar layers on fatigue damage progress in quasi-isotropic CFRP laminates"International Journal of Fatigue. 21(3). 235-242 (1999)
• [文献書誌] N.Takeda,M.Kiriyama: "Matrix-crack evolution in SiC fiber/glass matrix cross-ply laminates"Composites : Part A. 30(4). 593-597 (1999)
• [文献書誌] S.Ogihara, N.Takeda, S.Kobayashi, A.Kobayashi: "Effects of stacking sequence on microscopic fatigue damage development in quasi-isotropic CFRP laminates with interlaminar-toughened layers"Composites Science and Technology. 59(9). 1387-1398 (1999)
• [文献書誌] T.Okabe, N.Takeda, J.Komotori, M.Shimizu, W.A.Curtin: "A new fracture mechanics model for multiple matrix cracks of SiC fiber reinforced brittle-matrix composites"Acta Materialia. 47(17). 4299-4309 (1999)
• [文献書誌] N.Takeda, L.N.Mccartney, S.Ogihara: "The application of a ply-refinement technique to the analysis of microscopic deformation in interlaminar-toughened laminates with transverse cracks"Composites Science and Technology. 60(2). 231-240 (2000)
• [文献書誌] S.Kobayashi, N.Takeda, S.Ogihara, A.Kobayashi: "Damage mechanics analysis of transverse cracking evolution in delaminated CFRP laminates"Journal of Reinforced Plasticsand Composites. 18(15). 1360-1366 (1999)
• [文献書誌] Y.Okabe, N.Takeda, M.Sekiguchi: "Macroscopic and microscopic elastic constant measurements of ceramic matrix composites using ultrasonic waves"Journal of Composite Materials. 33(18). 1743-1755 (1999)
• [文献書誌] T.Okabe, J.Komotori, M.Shimizu,N.Takeda: "Mechanical behavior of SiC fiber reinforced brittle-matrix composites"Journal of Materials Science. 34. 3405-3412 (1999)