2021 Fiscal Year Annual Research Report
Observation and mechanics of 3D + fatigue failure precursor phenomenon of CFRP interface region with ultra-high precision X-ray microscope
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20H02028
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
北條 正樹 京都大学, 工学研究科, 名誉教授 (70252492)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 正雄 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (00373746)
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)
大島 草太 東京都立大学, システムデザイン研究科, 助教 (90885112)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | CFRP / 破壊力学特性 / メゾスケール / X線CT顕微鏡（CT） / イメージベイスドモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では，CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics）の破壊力学特性（破壊じん性やき裂進展特性）を決定する微視的因子を解明することを目的として，放射光によるX線CT（SR X-CT）を用いてき裂先端領域を観察するとともに，マクロな破壊の前駆現象である損傷領域の微視的な損傷の発生と進展の力学原理のモデル化を実施した．
昨年度に実施したモードI負荷における検討を発展させ，異なる負荷モードでもき裂先端近傍における微視的破壊機構が統一的に説明できるかを検討するため，モードIとモードIIの混合モード負荷条件での評価を実施した．具体的には，集束イオンビーム(FIB：Focused Ion Beam)を用いてノッチ加工した試験片を用いて，CLS(Cracked Lap Shear)試験と同様の原理を用いてCFRPにモードIとモードIIの混合モード負荷を与えた．その結果，混合モード負荷下では，繊維間の樹脂量が少ないときには，界面のはく離によってき裂が進展した．繊維間の樹脂量が多くなると樹脂のマイクロクラックがみられるようになった．このマイクロクラックは，隣接繊維で進展している界面はく離から生じていた．また，観察されたき裂先端損傷域での微視的損傷機構を調べるため，有限要素解析モデルを構築した．
さらに，疲労負荷における検討として，CFRP母材のエポキシ樹脂のモードI疲労き裂伝ぱ特性に関して，その応力比依存性がKmax支配である実験結果に基づき，負荷除荷時の応力-ひずみ関係を用いて，き裂先端での繰返し変形の影響を受ける領域での疲労損傷の機構についてモデル化を行った．負荷時と除荷時の応力-ひずみ関係の傾きが異なる負荷除荷の応力-ひずみ関係を仮定することで，Riceのモデルと同様の応力場の重ね合わせによりエポキシ樹脂の疲労き裂伝ぱを説明するモデルを構築できた．
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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
モードI負荷や混合モード負荷，疲労負荷に対して，SR X-CTや実験的観察を用いることで，炭素繊維強化プラスチック（CFRP）のき裂先端領域における微視的な損傷の発生・進展の特徴が明らかとなってきた．またこれらの実験結果に基づいて，力学に基づくモデル化を実施することが可能となってきたため，おおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでで得た超高精度X線顕微鏡観察の結果に基づき，有限要素解析を用いたモデル解析を併用することで，CFRPのき裂先端損傷領域での微視的破壊機構を支配する力学原理について検討する．モードI負荷や混合モード負荷といった様々な負荷条件に対して統一的に説明できるようなCFRPの微視的破壊メカニズムを解明する．
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