複合材料界面の熱伝搬特性と結合力のアナロジーに着目した微視的損傷メカニズムの解明

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22KJ1603
• 配分区分: 基金
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 藤田 涼平 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2025-03-31
• キーワード: ロックインサーモグラフィ / CFRP / 疲労特性 / 熱拡散率 / 比熱容量 / 非破壊検査 / 炭素繊維

研究実績の概要

本研究では炭素繊維強化複合材料（CFRP）における疲労初期の剛性低下・損傷進展の前兆を熱伝搬・熱力学特性の微小変化によって定量化することを目的とする．前年度は炭素繊維と樹脂の界面熱抵抗が疲労負荷によって増加する可能性をCFRP積層板レベルでの熱拡散率低下によって示した．今年度はCFRPの熱物性のうち，比熱容量に着目し測定を実施した．比熱を決定づける分子鎖の自由度は，分子鎖の切断によって増加すると考えられる．またその切断数はエポキシ樹脂内の自由体積量と相関があると考えられる．すでに疲労負荷によってCFRPの自由体積が増加することは数例報告されている．そのため疲労試験片の比熱容量測定理論を新たにロックインサーモグラフィ法に適用させ，疲労負荷回数と比熱容量の相関を評価した．エポキシ樹脂単体における疲労負荷回数による比熱容量変化を評価したところ，4.9%の増加が認められた．またCFRP積層板の負荷回数による比熱容量変化を追ったところ，最大8.6%の増加が確認された．また今年度は熱損失を低減させるため大型真空チャンバーの設計・導入，および加熱強度の均一化のためモードミキサーを含むファイバーレーザー光学系を構築した．本成果は論文誌および国際学会にて発表した．

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

当初想定していた炭素繊維と樹脂間の界面熱抵抗に着目した疲労損傷評価については，前年度の積層板単位のマクロスケールな熱拡散率評価によって，界面熱抵抗が増加する傾向を間接的に捉えた．一方で本着眼点は樹脂自体の損傷にフォーカスしていない．今年度は疲労負荷によるエポキシ樹脂内の微小損傷発生量を定量化するため，マトリックス樹脂およびCFRP積層板を対象とした熱容量測定理論を構築した．また測定の再現性を確保するため，真空チャンバー内で疲労試験片を測定可能な透過型測定系の構築も完了した．疲労試験と熱容量測定の交互実施により，負荷回数に依存した上昇傾向を捉えた．一方で熱容量絶対測定法では熱入力量や輻射熱量の絶対値が測定精度に影響するため，測定環境の再現性を確保しなければならず疲労負荷による上昇量を不確かさが上回ってしまう可能性がある．現状では新たに測定環境に依存しない計測法を構築中であり，課題点に対する対策が進んでいる．一定の成果を確認できている点，かつ課題に対する方策が決定している点で研究の進捗は順調である．

今後の研究の推進方策

測定環境に依存しない計測法の構築および疲労試験片への適用を検討している．これにより再現性が疲労負荷による変化量を下回る測定系を構築する予定である．またロックインサーモグラフィ式レーザー周期加熱法による熱容量測定では，真空下での測定においても周囲物体からの輻射光によって測定対象に温度変動が生じる．熱容量に温度依存性があるため，測定対象の絶対温度も一定にする必要があり，精密温調下での評価が欠かせない．今後は測定筐体を設置し，精密温調機を導入して室温変動を抑制し，温度制御下での計測を実施する予定である．加えて，複合材料中の熱伝搬シミュレーションを複合材料モデリング手法およびANSYS FEMを用いて実施する．損傷部分をモデル化し，マクロスケールでの温度応答および熱物性値を数値解析的に算出する．これにより実際にロックインサーモグラフィ式周期加熱法が観測できる損傷のサイズ，樹脂の疲労損傷以外にマクロスケールな損傷が存在した場合の測定法の感度等を評価する．

次年度使用額が生じた理由

当初想定より物品の購入金額が計画を下回ったため生じた．次年度の実験装置改良費用に使用する予定である．

研究成果

• [雑誌論文] Measurement of Microscopic Thermal Diffusivity Distribution for Ryugu Sample by Infrared Lock-in Periodic Heating Method (2023)
  • 著者名/発表者名: Takuya Ishizaki, Hosei Nagano, Satoshi Tanaka, Naoya Sakatani, Tomoki Nakamura, Tatsuaki Okada, Ryohei Fujita, Abdulkareem Alasli, Tomoyo Morita, Mizuha Kikuiri, Kana Amano, Eiichi Kagawa, Hisayoshi Yurimoto, Takaaki Noguchi, Ryuji Okazaki, Hikaru Yabuta, Hiroshi Naraoka, Kanako Sakamoto, Shogo Tachibana
  • 雑誌名: International Journal of Thermophysics 巻: 44 ページ: 51
  • DOI: 10.1007/s10765-023-03158-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of invisible fatigue damage of thermosetting epoxy resin by non-destructive thermal measurement using entropy generation (2023)
  • 著者名/発表者名: Kudo Natsuko、Fujita Ryohei、Oya Yutaka、Sakai Takenobu、Nagano Hosei、Koyanagi Jun
  • 雑誌名: Advanced Composite Materials 巻: 33 ページ: 233-249
  • DOI: 10.1080/09243046.2023.2230687
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-Destructive Fatigue Evaluation through Thermophysical Properties Using Lock-In Thermography (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujita Ryohei、Kudo Natsuko、Abe Shun、Fikry M. J. Mohammad、Koyanagi Jun、Ogihara Shinji、Nagano Hosei
  • 雑誌名: Engineering Proceedings 巻: 51 ページ: 34
  • DOI: 10.3390/engproc2023051034
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lock-in thermographic measurement and model-based evaluation of effective thermal diffusivity to quantify early stage fatigue damage of CFRP (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujita Ryohei、Natsuko Kudo、Abe Shun、Fikry M.J.Mohammad、Koyanagi Jun、Ogihara Shinji、Nagano Hosei
  • 雑誌名: Proc. SPIE, Thermosense: Thermal Infrared Applications XLV 巻: 12536 ページ: 65-70
  • DOI: 10.1117/12.2664189
  • 査読あり
• [学会発表] CFRPクロスプライ積層板の疲労損傷挙動における周波数の影響の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 安部舜, 藤田涼平，Huachao DENG, M. J, Mohammad FIKRY, 長野方星，小柳潤, 荻原慎二
  • 学会等名: 第30回機械材料・材料加工技術講演会（M&P2023）
• [学会発表] ロックインサーモグラフィ式周期加熱法を用いた半導体用放熱基板の界面熱抵抗測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 丹伊田春海，藤田涼平，濱田真旗，前田徹，佐々木啓太，長野方星
  • 学会等名: 第60回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] Non-Destructive Fatigue Evaluation through Thermophysical Properties Using Lock-In Thermography (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Fujita, N. Kudo, S. Abe, M.J.Mohammad Fikry, J. Koyanagi, S. Ogihara, Hosei Nagano
  • 学会等名: 17th International Workshop on Advanced Infrared Technology and Applications (AITA2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal Diffusivity Measurement for μm-scale Single Wires Using Lock-in Thermography (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Hamada, R. Fujita, A. Ueno, H. Nagano
  • 学会等名: 22nd European conference on thermophysical properties (ECTP2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Monitoring micro-scale fatigue damage in CFRP through non-contact thermal diffusivity measurement by laser-based lock-in thermography (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Fujita, N. Kudo, S. Abe, M. J. Mohammad Fikry, J. Koyanagi, S. Ogihara, H. Nagano
  • 学会等名: 26th International Conference on Composite Structures (ICCS26)
  • 国際学会
• [学会発表] Damage detection by thermal property measurement for CFRP subjected to cyclic loadings (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Kudo, R. Fujita, M. J. Mohammad Fikry, J. Koyanagi, S. Ogihara, H. Nagano
  • 学会等名: 26th International Conference on Composite Structures (ICCS26)
  • 国際学会
• [学会発表] Lock-in thermographic measurement and model-based evaluation of effective thermal diffusivity to quantify early-stage fatigue damage of CFRP (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Fujita, N. Kudo, S. Abe, M. J. Mohammad Fikry, J. Koyanagi, S. Ogihara, H. Nagano
  • 学会等名: Thermosense: Thermal Infrared Applications XLV
  • 国際学会
• [備考] 名古屋大学内ベンチャー 熱の伝導「可視化」新装置（読売新聞オンライン）
  • URL: https://www.yomiuri.co.jp/local/chubu/feature/CO056072/20230630-OYTAT50039/
• [備考] ［大学最前線］研究成果 新興企業育成に（読売新聞オンライン）
  • URL: https://www.yomiuri.co.jp/kyoiku/kyoiku/feature/20240318-OYT8T50209/
• [備考] Forbes JAPAN ACADEMIA ENTREPRENEUR SUMMIT でグランプリ獲得
  • URL: https://www.dii.engg.nagoya-u.ac.jp/blog/news/entry-731.html
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://www.eess.mech.nagoya-u.ac.jp/