| 研究課題/領域番号 |
15K06471
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| 研究機関 | 同志社大学 |
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研究代表者 |
大窪 和也 同志社大学, 理工学部, 教授 (60319465)
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| 研究分担者 |
藤井 透 同志社大学, 理工学部, 教授 (20156821)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 炭素繊維強化複合材料 / ボルト締結 / 引張りせん断荷重 / ダブルラップ締結 / 疲労耐久性寿命 / カラー / 微細ガラス繊維添加 / 締結トルク |
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| 研究実績の概要 |
初年度の結果をもとに，炭素繊維強化複合材料と金属部材とをボルト締結した場合の繰り返し疲労負荷時の耐久寿命を改善するための具体的な対策立案に着手した．研究計画にもとづき，初年度に試行的に作成した直径0.5μm，長さ0.2～2mmの微細ガラス繊維を添加したポリプロピレン（PP）製のカラーをボルト締結に併用する場合の疲労寿命の改善と，その力学的な原理を調べる目標に着手した．実験ではその効果が活用される実用条件を想定し，被締結材を熱可塑性炭素繊維強化複合材料の直交異方向性ラミネート材（いわゆる[0/90]s材のCFRTP）とし，アルミ材との2面間をM6ボルトを用いて締結（いわゆるダブルラップ締結）する条件とした．また熱可塑性の特徴を利用して締結後にカラーの一部を再溶融させる手法を考案し，さらにその微細ガラス繊維の含有率も変化させ，その適切値を明らかにする事とした．
研究の結果，締結トルクが適切に（標準的な5 Nm程度）設定されている場合には，板間の摩擦によりボルトとボルト穴の縁面との接触は見られずボルト穴の側面付近からき裂が生じ破壊に至るが，締結トルクが小さい場合には，ボルトとボルト穴の縁面の接触によりキンク損傷を伴う圧壊が生じ，それが破壊の主因となる事がわかった．この圧壊が生じる条件では特に，当研究で提案の微細ガラス繊維を添加したカラーを併用する手法が有効である事がわかった．前者の場合の疲労耐久性寿命の改善効果は約15.5倍，後者の場合には約13.9倍のその改善効果が確認された．これは，添加した微細ガラス繊維がボルト穴の側面に露出した炭素繊維と絡み合うことにより，損傷の起点となるボルト穴側面での炭素繊維と母材との間の界面破壊が抑制される事により得られる事もわかった．またこの耐久性の改善に有効な微細ガラス繊維の添加率はわずか1 wt%であることもわかった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2年目の当該年度の具体的な成果としては，初年度に考案し着手した微細ガラス繊維を添加したポリプロピレン（PP）製のカラーをボルト締結に併用する手法を繰り返し負荷の疲労耐久性の条件にまで展開し，その力学的な原理を明らかにする事項にも発展させた．さらに疲労寿命の違いだけではなく，耐久性の改善に有効な微細ガラス繊維の添加率を変更した場合の評価実験に着手し，最適添加率がわずか1 wt%である事も示した．初年度には本研究で対象の改質カラーの併用効果は締結トルクが小さい場合（いわゆる締め忘れなどの状態）の静的な継手効率の改善に大きく有効である事を示し，2年目の当該年度には同じく締結トルクが小さい場合に，疲労寿命も大きく改善できる事を示した．これらの項目は本手法の効果を定量的に明らかにしていく当初の研究計画に合致し，一部は次年度の3年目に行う予定であった項目にも先行的に着手した．この点では研究は予想以上に進捗を得たが，一方でボルト穴周辺でのき裂進展速度の違いや剛性の変化などの基本挙動の変化のデータ評価が未である．また研究を進めて行く中で試行的に行った結果，本研究で得られる改善効果が，炭素繊維強化複合材料の基本構成条件（いわゆる積層条件や配向条件）により大きく変化する事もわかり，一部には当初予期していなかったような研究データが生じる事もわかった．これについても次年度において注力する事とした．
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| 今後の研究の推進方策 |
本技術をより実用的なものとするために，次年度には炭素繊維強化複合材料の基本構成条件の違いによる締結部付近の力学条件の違いや，それによる改善効果の違いを明らかににする事に注力する事とする．特に次年度には，①いわゆる積層条件による違いや，②強化繊維の配向条件による違いに注目し，静的負荷および繰り返し疲労負荷を受ける場合の改質カラーの併用の効果の一連の基礎データを収集する事を行う．同時に，特に繰り返し疲労負荷下で見られるマクロおよび内部のミクロなき裂進展速度の違いを定量化し，ポリプロピレン（PP）製のカラーに添加した微細ガラス繊維と，炭素繊維強化熱可塑複合材料の本体の強化繊維との力学的な干渉効果を定量化する事を行う，③さらに上記の材料の基本構成条件を変更した条件にて，構造的な欠陥率をその内部パラメータを用いて予測する予測手法の確立についても実行をして行く．④同時に破壊力学パラメータを用いて，材料の持つじん性（いわゆる耐き裂臨界値および疲労き裂進展速度の特性）とボルト締結部の信頼性の関係についても，指標化を目指す．
最終的には，炭素繊維強化複合材料をボルト締結する場合には，強化繊維が切断された空間を持ち長手方向に生じた荷重伝達がボルト面からこの切断された強化繊維にせん断力を介して順次伝わらざるを得ない構造を変更するような継手部の新構造を開発し，機械設計者が合理的に適切な設計仕様を決める事が出来るような耐久設計規準の構築を進める．
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