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2017 年度 実施状況報告書

軽量宇宙機用極低温複合材タンクのためのリークバリア層の開発と極低温試験実証

研究課題

研究課題/領域番号 17K06953
研究機関国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

研究代表者

熊澤 寿  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (20344252)

研究分担者 横関 智弘  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50399549)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード構造・材料 / 複合材料 / 極低温推進剤タンク / マトリックスクラック / 推進剤漏えい
研究実績の概要

本研究では、樹脂割れに強く薄い複合材層を活用したリークバリア層を解析的に求め、リークバリア層を含んだ複合材料試験片の極低温負荷試験/漏えい試験による実証を行い、本研究成果を極低温推進剤タンクの複合材料化に活用できることを示す。
本年度は樹脂割れが発生しにくく、耐漏えい性が高いリークバリア層の特徴を有限要素法を用いて計算した。また、基礎特性取得用試験片とリークバリア層を含んだ試験片の設計・製作を行った。
計算においては層厚をパラメータとして数種のリークバリア層をまず設定し、熱膨張率も考慮してリークバリア層をモデル化を行った。リークバリア層の中でひとつの層でも樹脂割れが発生しなければ、漏えいが発生しないことを考慮し、評価を行った。樹脂割れによるリークバリア層内を貫通したリークパスの形成を極低温環境と二軸荷重が加わる場合について解析的に評価した。設定した複数のリークバリア層の解析結果を比較し、層が薄く、単軸荷重負荷でリークパスが形成されにくいことが分かった。また、極低温においては、リークパスが形成されやすくなるが、層が薄いことでリークバリア性能が極低温においても高くなることが確認できた。
複合材料の繊維方向と繊維に直角方向の弾性率と熱収縮には大きな差があり、温度による変化も顕著であり、極低温損傷解析モデルを構築するための材料特性データが必要である。そのため、複合材料の基礎材料特性である一方向材の材料特性の温度依存性を測定するための試験片母材の製作を行った。また、リークバリア層の耐漏えい特性の確認のため、リークバリア層を含んだ積層板試験片の製作を行った。リークバリア層は層数などもパラメータとして設定し、実験では二軸負荷を加えることを考慮して十字型の試験片形状とした。これら試験片を用いた実験の実施は、平成30年度に実施予定である。

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

本研究は、数値解析と実験からなっており、解析については計画通り進んでいる。
実験に関しては、基礎的材料特性に用いる試験片の材料入手・製作に時間かかることがわかり、平成29年度に行う基礎材料特性の取得を平成30年度に実施することとし、平成30年度に行う二軸負荷可能な十字型試験片の製作を先行して平成29年度に行うこととした。
試験片製作と実験のタイミングの入れ替えだけなので、最終年度である平成31年度の計画に影響がなく、進捗状況としては問題ない。

今後の研究の推進方策

解析においては、積層板全体の損傷の影響も含め、より効率的なリークバリア層の構成を計算する。計算には通常層厚の部分に発生する亀裂がリークバリア層に及ぼす影響も考慮して行う。リークバリア層は層数、積層構成、積層板中の位置(表面、中央など)をパラメータとして、リークバリア層を含んだ複数の積層板を設定し、極低温環境と二軸荷重を考慮した計算を行う。
実験においては、複合材料の一方向材の基礎材料特性の温度依存性を測定、およびリークバリア層の耐漏えい特性の実証と樹脂割れデータの取得を行う。リークバリア層の耐漏えい特性の実証においては、極低温環境における二軸負荷を行い、極低温タンクの実環境を模擬した状況でのリークバリア層による複合材料の耐漏えい特性の向上も明らかにする。
リークバリア層の実証試験において発生した損傷と、数値解析の結果を比較し、解析における損傷モデルの有効性の検証も行う。

次年度使用額が生じた理由

試験片製作を先行して行い、実験を次年度としたので、実験用消耗品は次年度まとめて購入することとしたため次年度使用が生じた。次年度使用額は、実験用消耗品購入に充てる予定。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 4件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] 改良型スマートボルトを用いた複合材/金属ボルト継手の破損検知能力の評価2018

    • 著者名/発表者名
      保科 智紀、熊澤 寿、高戸谷 健、五味 健二
    • 雑誌名

      材料試験技術

      巻: 63 ページ: 87-94

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ダブルラップ金属-複合材料接着継手の接着層の応力場に及ぼす温度と荷重の影響に2018

    • 著者名/発表者名
      熊澤 寿、笠原 利行
    • 雑誌名

      関する解析的研究日本複合材料学会誌

      巻: - ページ: -

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The enhancement effect of carbon-based nano-fillers/polyaniline hybrids on the through-thickness electric conductivity of carbon fiber reinforced polymer2018

    • 著者名/発表者名
      X.Cheng、 T. Yokozeki、 L. Wu、 J. Koyanagi、 H. Wang、 Q. Sun
    • 雑誌名

      Composites PartA

      巻: 105 ページ: 281-290

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.12.002

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 十字型二軸力学特性試験用極低温環境槽温度調節システム2017

    • 著者名/発表者名
      熊澤 寿
    • 雑誌名

      宇宙航空研究開発機構研究開発資料

      巻: JAXA-RM-17-003 ページ: -

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] The decoupling electrical and thermal conductivity of fullerene/polyaniline hybrids reinforced polymer composits2017

    • 著者名/発表者名
      X.Cheng、 T. Yokozeki、 M. Yamamoto、 H. Wang、 L. Wu、 J. Koyanagi、 Q. Sun
    • 雑誌名

      Composites Science and Technology

      巻: 144 ページ: 160-168

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.03.030

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Aero-structural evaluation of morphing control surface using corrugated panel2017

    • 著者名/発表者名
      K. Sato、 T. Yokozeki
    • 雑誌名

      sAerospace Technology Japan

      巻: 15 ページ: a7-a15

    • DOI

      https://doi.org/10.2322/tastj.15.a7

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of polyurethane dispersion as surface treatment for carbon fabrics on mechanical properties of carbon/Nylon compostes2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Ma、 T. Yokozeki、 M. Ueda、 T. Sugahara、 Y. Yang、 H. Hamada
    • 雑誌名

      Composites Science and Technology

      巻: 151 ページ: 268-281

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.08.031

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Irreversible tunability of through-thickness electrical conductivity of polyaniline-based CFRP by de-doping2017

    • 著者名/発表者名
      V. Kumar、 T. Yokozeki、 T. Goto、 T. Takahashi、 S.R. Dhakate、 B.P. Singh
    • 雑誌名

      Composites Science and Technology

      巻: 152 ページ: 20-26

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2017.09.005

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Fundamental study on adaptive wing structure for control of wing load distrib2017

    • 著者名/発表者名
      K. Fujii、 T. Yokozeki、 H. Arizono、 M. Tamayama
    • 雑誌名

      utionAerospace Technology Japan

      巻: 15 ページ: a83-a88

    • DOI

      https://doi.org/10.2322/tastj.15.a83

    • 査読あり
  • [学会発表] 極低温における金属-CFRP接着部の剥離評価2018

    • 著者名/発表者名
      齋藤智広、熊澤 寿、小川武史
    • 学会等名
      第9回日本複合材料会議
  • [学会発表] 宇宙航空機構造用スマートボルトのひずみ出力安定化に関する研究2018

    • 著者名/発表者名
      保科 智紀、熊澤 寿、高戸谷健、五味健二
    • 学会等名
      日本機械学会関東支部第24期総会・講演会
  • [学会発表] 金属-複合材料接着継手の応力場に及ぼす温度の影響に関する基礎的研究2017

    • 著者名/発表者名
      熊澤 寿、笠原 利行
    • 学会等名
      第59回構造強度に関する講演会

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公開日: 2018-12-17  

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