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2021 年度 実績報告書

三次元ナノ空間構造体による接合界面の応力場制御と異種接合技術への展開

研究課題

研究課題/領域番号 21H01219
研究機関早稲田大学

研究代表者

細井 厚志  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60424800)

研究分担者 岩瀬 英治  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70436559)
須賀 健雄  早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (10409659)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード異種接合 / CFRTP / 金属
研究実績の概要

近年,車両重量の軽量化による燃費向上が求められている.そこで,比強度,比剛性,リサイクル性に優れ,プレス成型可能な炭素繊維強化熱可塑性プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics : CFRTPs)を適材適所に用いた材料のマルチマテリアル化が進められている.金属とCFRTPの接合方法において,従来の接着剤接着や機械的締結は重量増加や品質管理の問題があり,新たな接合技術が求められている.これまで,アルミニウム合金表面にナノ構造を作製し,シランカップリング処理による化学結合によって直接接合する方法を提案してきた.繊維強化複合材料の層間破壊靭性評価方法としてDouble Cantilever Beam (DCB)試験がASTMやJIS規格に規定されており広く用いられているが,その評価手法は線形破壊力学に基づいており,材料の塑性変形が生じるほどの強固な直接接合試験片に対して破壊靭性を正しく評価できない.そこで本研究では,異種接合材の弾塑性特性および熱残留応力を考慮できる理論モデルの構築と実験的評価方法の提案を目的とした.J積分はき裂成長に伴うポテンシャルエネルギの変化量であり,DCB試験片をモデル化とすると,境界条件から荷重Pが寄与する機械的J積分,Jmechの値は,荷重Pと,荷重点のたわみ角θによってのみ決定される.一方で,熱残留応力による熱的エネルギーJtherは接合部のみ影響を受ける.計算の結果,機械的および熱的エネルギーは互いに独立していることが分かった.重ね合わせの原理よりこれらの合計が,熱残留応力を有する異種材接合試験片の塑性変形を考慮した見かけの層間破壊靱性と言える.実験結果から,機械的エネルギーのみを比較した場合,線形破壊力学を仮定したエネルギー解放率Gでは破壊靱性を過大評価していることが分かった.一方で数値シミュレーションとの比較はJ積分の実験結果とよく一致していることが示された.

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

コロナ禍の影響で物品の納期に遅れなど生じたが、その後状況が改善し概ね計画通りに研究を推進できた。

今後の研究の推進方策

界面の凹凸構造が接合界面の破壊靭性に影響を及ぼしており、最適な凹凸構造を実験及び解析的側面から明らかにしていく。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Fatigue delamination growth characterization of a directly bonded carbon-fiber-reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloys with surface nanostructure using DCB test2021

    • 著者名/発表者名
      Saito Kei、Jespersen Kristine M、Ota Hiroki、Wada Keita、Hosoi Atsushi、Kawada Hiroyuki
    • 雑誌名

      Journal of Composite Materials

      巻: 55 ページ: 3131~3140

    • DOI

      10.1177/00219983211009282

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of interfacial nanostructure on mode mixity in directly bonded carbon fiber reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloy considering thermal residual stress2021

    • 著者名/発表者名
      OTA Hiroki、JESPERSEN Kristine Munk、SAITO Kei、WADA Keita、HOSOI Atsushi、KAWADA Hiroyuki
    • 雑誌名

      Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing

      巻: 15 ページ: JAMDSM0051

    • DOI

      10.1299/jamdsm.2021jamdsm0051

    • 査読あり
  • [学会発表] Effect of interfacial nanostructure on fatigue delamination growth in dissimilar joining of CFRTP laminates and aluminum alloys2021

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Hosoi, Kei Saito, Hiroki Ota, Kristine Munk Jespersen, Hiroyuki Kawada
    • 学会等名
      the 8th International Conference on Fatigue of Composites
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of fracture toughness of thermally welded joints by removal of thermal residual stress2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuki Harada, Kristine Munk Jespersen, Momoka Shima, Atsushi Hosoi, Hiroyuki Kawada
    • 学会等名
      1st Virtual ESIS TC4 Conference on Fracture of Polymers, Composites and Adhesives
    • 国際学会
  • [学会発表] 平織CFRTP/アルミニウムFMLのホットプレス成形性に及ぼす異種接合表面処理条件の影響2021

    • 著者名/発表者名
      會澤諒,細井厚志,川田宏之
    • 学会等名
      公益社団法人自動車技術会2021年春季大会学生ポスターセッション
  • [学会発表] CFRTP積層板/アルミニウム合金異種接合体における純モードI層間破壊靱性評価及び界面ナノ構造の影響2021

    • 著者名/発表者名
      島桃花,細井厚志,川田宏之
    • 学会等名
      公益社団法人自動車技術会2021春季大会学生ポスターセッション
  • [学会発表] Post-stretch 処理によるアルミニウム合金と CFRTP の 異種接合体における熱残留応力低減及びその力学的特性評価2021

    • 著者名/発表者名
      島桃花,齊藤慧,細井厚志,川田宏之
    • 学会等名
      65th FRP CON-EX 2021

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公開日: 2023-12-25  

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