2022 Fiscal Year Annual Research Report
Microscopic damage mechanisms focused on analogy between heat transfer properties and bonding strengths at composite interfaces
| Project/Area Number |
22J22823
|
|---|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Research Institution | Nagoya University |
|---|
Principal Investigator |
藤田 涼平 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2022-04-22 – 2025-03-31
|
| Keywords | ロックインサーモグラフィ / 熱物性 / 熱拡散率 / 界面熱抵抗 / 非破壊検査 / CFRP / 疲労評価 / 炭素繊維 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
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・損傷進展の兆候を熱伝搬特性の微小変化によって定量化する．さらには炭素繊維と樹脂界面の結合力低下に着目し，熱伝搬特性の低下が界面の熱抵抗に起因することを明らかにする．従来の疲労特性評価では繰り返し負荷によるクラック発生密度や剛性低下率が評価対象であった．一方でクラック発生以前にも剛性低下が確認されており，その原因とされる微小損傷の発生メカニズム解明が課題となっている．近年では放射光ナノX線CTや熱弾性試験等により初期微小損傷が評価されつつあるが，対象スケールの制限，可搬性の制限，除荷状態での評価が不可といった課題がある．本研究ではロックインサーモグラフィによる非接触高感度熱物性測定技術を新たに適用することで，これまでにない除荷状態かつ実スケールでの疲労劣化評価法を提案・実証する．2022年度は以下に示す成果を得た．
CFRP試験片側面のマイクロスケール温度応答から厚さ方向の実効熱拡散率を測定する実験系および理論を構築した．負荷回数の異なる積層板CFRPに対して本測定法を適用した結果，実効熱拡散率が無負荷時と比較して最大3%低下した．さらに広域の疲労状態を定量化するため加熱領域を試験片表面全体とすることで実効熱拡散率の面分布を取得する実験系および理論を構築した．そして同一の試験片に対し疲労試験と熱物性評価を交互実施することで負荷回数との相関を検証した．これにより試料間の個体差を排除した結果，実効熱拡散率が最大4.5%低下することを実証した．また実効熱拡散率が低下する要因についてボイド生成，繊維と樹脂間の界面熱抵抗の寄与を検討するため，GeoDictによる定常熱伝導解析にてCFRPの実スケール積層構造を数値解析した．その結果，界面熱抵抗の寄与が最も大きいことが判明した．上記の成果は論文誌および学会にて発表した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
CFRPの熱拡散率測定理論および測定装置系の構築を完了し，クラック発生以前の微小な疲労損傷を熱伝搬特性によって評価した．さらに負荷回数に依存して，実効熱拡散率が低下することを実験的に検証することに成功した．また数値シミュレーションにより低下要因の分析を実施し，界面熱抵抗が支配的であることを示唆するに至っている．研究開始段階の理論構築，測定系構築の計画および疲労試験との並行評価を完了しており，当初の計画以上に進展しているといえる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでの実験系では疲労試験機から試料を取り外し，熱拡散率測定系にて計測を行ってきた．そのため離散的な負荷回数でしか評価を実施していない．今後は疲労試験中に同時評価可能な光学系および測定系を構築する．これにより試料の個体差，および試験片の取り外しによる影響を排除した上でより精度の高い連続的な評価系を構築する．また界面熱抵抗が実効熱拡散率の低下要因である可能性を示唆したものの，炭素繊維と樹脂間の界面熱抵抗を直接評価するに至っていない．今後の研究では単繊維と樹脂のみの実験系および測定理論を構築し，界面熱抵抗と結合力の相関性について研究を進める．これにより複合材料レベルでの疲労損傷による熱伝搬特性低下メカニズムを明らかにする．
|
Research Products
(8 results)
