Observation and mechanics of 3D + fatigue failure precursor phenomenon of CFRP interface region with ultra-high precision X-ray microscope

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02028
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Hojo Masaki 京都大学, 工学研究科, 名誉教授 (70252492)
• 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 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (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)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 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

Outline of Final Research Achievements

In order to elucidate the microscopic factors controlling the fracture mechanics properties (fracture toughness and crack growth characteristics) of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics), we observed the crack-tip region of CFRP under Mode-I and Mode-I/II mixed loadings based on in-situ nanoscopic synchrotron radiation X-ray computed tomography. We revealed the precursor phenomena of failure initiation at interface region for CFRP and three-dimensional mechanism of fracture, using mechanical models.

Free Research Field

破壊力学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

X線顕微鏡(CT)によりCFRPのモードI負荷および混合モード下におけるき裂先端損傷領域での損傷を詳細に観察する実験法を確立した．観察結果を基に，３次元画像に基づくモデル解析を検討し，有限要素法に基づく数値解析を用いて，繊維間距離や最大主応力，静水圧応力，応力三軸度の関係について評価するモデルを構築した．これにより，CFRPのき裂先端領域において，界面はく離が先行し，樹脂破壊が遅れて発生する力学原理が明らかとなり，学術的に新規性の高い知見を得ることができた．CFRPを用いた材料・構造設計において，メゾスケールからのCFRP破壊力学特性の設計につながる実用的な成果が得られた．