2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of carbon fiber reinforced thermoplastic with arbitrary shaped fibers
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17K06219
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
本田 真也 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (90548190)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 複合材料 / プレス成型 / 熱可塑性複合材 / ファイバー縫付機 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
炭素繊維強化複合材料（CFRP）に代表される先端複合材料では，母材に用いるプラスチックとして熱硬化性樹脂が主流となっているが，成形時間が長く生産性の向上には適さないため，自動車のような量産品には適していない．これに対し熱可塑性樹脂を母材として用いたCFRTPは成形時間の短さだけでなく，リサイクル性の良さなどの点で先端複合材料の母材として注目を集めている．
また近年，繊維配向技術の発展により，繊維の牽引方向を連続的に変化させ，曲線状の強化繊維を有する複合材の生産が可能となってきている．曲線状の強化繊維を有する複合材は局所的な異方性を付加させることができるため，繊維形状を適切に設計することで，ある特定の力学的要求に対して直線状繊維に比べて優れた特性を示すことが知られている．
本研究では曲線状の強化繊維を有する複合材を作製する手法として，ファイバー縫付機（TFP）に着目した．これは刺繍技術を応用したもので，牽引方向を連続的に変化させながら繊維束を基材に縫い付けることプリフォームを作製する装置である．作製したプリフォームは真空樹脂含浸法などにより樹脂を含浸し，複合材の成型を行うことが一般的であるが，VaRTM法では熱可塑性の樹脂を扱うことが困難である．そのため本研究ではTFPを用いて熱可塑性樹脂シートに直接，炭素繊維を縫い付けることでプリフォームを作製し，加熱プレス成形により熱可塑性複合材料を作製する．このとき，繊維を縫付けた基材である樹脂シートは成形中にプリフォームに含浸し，成型後は母材となる．これにより，従来よりも簡便な手法で熱可塑性複合材を作製することが可能になり，またTFPの特長を生かした曲線状の強化繊維を有する熱可塑性の複合材の成型が可能となる．本年度では，作製した供試体材料定数の取得および，振動特性について評価を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
提案した新たな熱可塑性複合材の成形方法を用いて作成した供試体の断面観察の結果，樹脂含浸が十分にできており，また，強度試験や振動数試験の結果，当初予測していたよりも優れた振動特性が得られているため．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度ではTFPを用いて強化繊維を曲線状にすることにより繊維密度に疎密が生じるため，繊維曲率に着目し曲率の関数として材料定数を定義することを試みる．特に繊維に重なりが生じて繊維含有率が非線形的に増加するため，この非線形部分を意図的に実験で再現し，実測による材料定数の取得を試みるとともに，どの程度の曲率差で「重なり」や「隙間」が生じるかを検討する．得られた曲率依存の材料定数を数値計算（有限要素を用いる）に組み込み，最適設計を行う．要素内で代表繊維曲率を算出し，それに依存した各要素で異なる材料定数を与えることで局所的な力学特性を表現する．繊維曲率の算出は比較的容易なため，本手法は汎用のソフトウェアにも組み込むみやすい．振動数最大化などを目的関数として得られた最適設計案から実際に複合材を作成し，実験により評価することで本手法の有用性を確認する．
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| Causes of Carryover |
実験用消耗品が研究協力者からの提供いただいた点と，実験が想定より少ない回数で成功したために今年度は消耗品費が予定より少なかった．繰越額は引き続き次年度の消耗品購入や購入備品の修繕費として使用予定である．
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