| 研究課題/領域番号 |
17H03144
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
北條 正樹 京都大学, 工学研究科, 教授 (70252492)
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| 研究分担者 |
西川 雅章 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60512085)
松田 直樹 京都大学, 工学研究科, 助教 (90756818)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 炭素繊維複合材料 / 破壊じん性 / 破壊力学 / メゾ構造 / 損傷許容性 |
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| 研究実績の概要 |
炭素繊維複合材料の一体成形構造において，板厚方向の負荷により弱部となる積層層間などの破壊特性について，巨視的なスケールにおける破壊じん性を体系的に理解するために，マルチスケールな視点から複合材料の破壊特性を検討する実験・解析手法を構築することと，それを活用して構造の損傷許容性をを向上するための知見を得ることを目的に研究を遂行した．本年度は前年度までの材料スケールの検討に加えて，分子スケールの解析について検討を実施した．得られた成果は以下の通りである．
1. CFRP一方向積層板に対してモードII静的負荷において，CFRP層間き裂先端近傍の層間樹脂層における微視的なひずみ分布を計測し，破壊じん性に寄与する樹脂の微視的な塑性変形や破壊について検討した．特に層間を熱可塑性粒子で強化した層間高じん化CFRPにおいて特徴的なひずみ分布をDIC(Digital Image Correlation)により明らかとした．熱可塑性粒子の添加により応力三軸度が低下し，層間のエポキシ樹脂が微視的な観点で破壊基準に達しにくくなることが示された．
2. 破壊に寄与するCFRPを構成する樹脂の特性を分子スケールで把握するための分子シミュレーション手法について検討した．樹脂の特性の理解には分子構造を反応過程から推定することが重要であるため，樹脂の反応から破壊までを統一的に扱える可能性のある手法として，反応力場ReaxFFを用いたエポキシ樹脂の分子シミュレーションを実施した．特に，架橋反応過程について解析を実施し，種々の計算加速化法を併用することで，エポキシ基の開環から結合生成までを連続的に扱うことが可能となった．
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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
炭素繊維複合材料構造の損傷許容性をマルチスケールな視点から検討する上で重要な要素研究が進展しており，具体的には以下の観点で，一定の成果を得ている．
(1) 材料スケールの破壊じん性について，メゾスケールでの検討の具体例として，層間高じん化CFRPを対象として熱可塑性粒子強化の効果を明らかとしたこと．
(2) 分子スケールでの樹脂の特性を検討する基礎的な解析技術として，樹脂の分子構造を決定する分子結合の生成・解離を扱う反応力場を用いた分子シミュレーションによる解析方法の構築について一定の知見を得たこと．
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| 今後の研究の推進方策 |
材料スケールの破壊じん性について，主にモードII静的負荷に対して実験的な検証を行うことで一定の成果を得てきたが，さらに有限要素解析によるモデル化を試み，実験結果と比較・検討することで，複合材料における高じん性の発現に対する詳細なメカニズムを解明する．材料スケールと構造スケールの橋渡しとなる損傷解析手法（peridynamics解析法）についても材料内部の複数形態・複数位置の損傷を扱うことが可能であることを示してきているが，実用的に重要な面外負荷下における損傷形態のモデル化といった課題への適用性についてさらに検討を進める予定である．材料スケールの特性と分子スケールの構造の関係を理解する上で重要な分子シミュレーションについて多成分系の樹脂への適用を試み，分子スケールの解析から知見を得る方法についてさらに検討する．
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