【研究領域課題番号】18H01342 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

異種接合 / CFRP / ナノ構造 / CFRTP / 接合 / 異種材料 / ナノ空間構造 / 複合材料 / 金属 / ナノ界面 / 接着 / 異種接着 / 界面 / 疲労

【研究成果の概要】

酸化・エッチングプロセス制御によって金属表面にナノ構造を創製し、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（CFRTP）積層板と金属の異種材料接合技術を確立することを目的とした。界面ナノ構造を有することで接合界面近傍の母材樹脂が脆性破壊から延性破壊に変化して破壊靭性が大幅に上昇することを明らかにした。き裂進展シミュレーションを実施した結果、ナノ構造を有するき裂進展は平面応力状態の破壊形態と類似していることが示され，これはナノ構造によってき裂先端近傍の応力三軸度が低下していることが要因であると示唆された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】15K05673 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 構造キャパシタ / ３Ｄプリンタ / 自己センシング / CFRP / 電気抵抗変化 / 繊維破断 / ＣＦＲＰ / キャパシタ / 電気抵抗 / 破壊 / モニタリング / サンドイッチ構造 / 複合材 / 炭素繊維 / 電気二重層

【研究成果の概要】

高価な炭素繊維強化複合材料を一般構造に適用するため，構造以外の蓄電機能を持たせる構造キャパシタを開発する．本研究ではサンドイッチ構造のコア部分にキャパシタを内蔵するサンドイッチ構造キャパシタを提案した．フォームコアでは電解液の漏洩が発生するため，３Ｄプリンタで作成したスナップイン構造を用いることにした．スナップイン構造のコア内部に防水処理をしたキャパシタを設置することで蓄電機能目標を達成した．３点曲げ試験を実施し，剛性も十分であることを確認した．スキン材の炭素繊維の電気抵抗を測定することで破断直前に破断を検知可能であり，放電可能であることを確認した．

【研究の社会的意義】

軽量で高い剛性を持つが高価な炭素繊維複合材を一般構造に適用するため，構造以外の機能として蓄電機能を有する機能複合材料構造を作成した．本研究では，サンドイッチ構造の中央部分に蓄電機能を設置して構造の剛性と強度を持たせる．３Ｄプリンタを用いて雄雌型の嵌め込み形式を表皮材に同時成形し，簡単に組み立て可能なスナップイン構造とした．炭素繊維の電気抵抗変化を測定して事前に破壊を検知できる．このような構造と蓄電と破壊検知の多機能を有している構造は電気自動車などに利用可能であり，今後の省エネに寄与すると判断される．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】26220912 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / CFRP / 光ファイバセンサ / 成形プロセス / モニタリング / 品質保証 / 成形 / 硬化 / 成形モデリング

【研究成果の概要】

光ファイバ温度・ひずみ同時計測技術を、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の新規成形プロセスに適用可能なレベルまで向上させ、CFRPの成形、加工、組立、運用に渡るライフサイクルモニタリング技術として提案し、CFRPの品質保証・保守技術としての有用性を実証した。まず、埋め込み光ファイバ援用CFRP成形中その場物性評価基盤技術を構築し、従来では不可能であった成形途中の物性値の時間的変化を測定し、実用的な成形モデリングを行った。次に、脱オートクレーブ・低圧成形CFRP、熱可塑CFRP、CFRP二次接着接合構造、複雑形状CFRP構造等に適用するとともに、実用模擬CFRP構造レベルでの実証に成功した。

【研究の社会的意義】

CFRPは主要一次構造部材にも適用され、かつ日本の製造技術が強い。しかし、成形・組立などの製造上の問題および損傷後強度保証の難しさがあり、従来金属製航空機と比較して製造コストが高くまた十分な軽量化にも至っていない。
本研究では、ライフサイクルモニタリングによる構造高信頼化技術と，製造技術に課題はあるものの低コスト・高機能性のポテンシャルを有する新規CFRP製造プロセスを融合させる「複合材構造の知的ものづくり科学」を構築することで初めて可能になる、革新CFRP構造コンセプトを世界に先駆けて提案・実証することを目的とした。日本独自のもので、かつ学術的価値・優位性は高く評価されている。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2014-05-30 - 2019-03-31

【配分額】153,140千円 (直接経費: 117,800千円、間接経費: 35,340千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】21560079 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊 / 複合材料 / CFRP / 層間はく離 / 電気抵抗 / ジュール発熱 / モニタリング / 落錘試験 / 損傷検知 / ジュール加熱 / 損傷 / 有限要素法

【研究成果の概要】

炭素繊維強化プラスチック積層板の強化繊維の炭素繊維をそのままセンサとして用いる自己損傷検知手法に熱変形の前後で電気抵抗を測定して差異を統計的に判定する手法を提案している.ジュール発熱を利用し,冷却過程でブロックごとの電気抵抗を測定し,電気抵抗変化の統計的関係の変化から,周囲との差異を検出する.この手法を衝撃荷重後の損傷,初期欠陥に適用し,実験的に検証した.また,電極損傷時にも有効に損傷の有無を検知できることを実験的に検証した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】19560074 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

CFRP / 電気抵抗 / めっき / 複合材料 / 損傷

【研究成果の概要】

炭素繊維強化複合材料(CFRP)のはく離損傷は目視検査困難であり, CFRP構造の信頼性確保のために炭素繊維の導電性を利用した電気抵抗変化法による損傷モニタリングが研究されている. この方法には, CFRP構造に電極を設置する必要があり, 電極の信頼性がモニタリングシステムの信頼性に直結する. 本研究では, さまざまな電極を検討し, 長期繰り返し負荷試験を実施して, 信頼性の高い電極を用いた電気抵抗変化法を開発する.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】15560062 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 炭素繊維 / はく離 / モニタリング / 電気抵抗 / 電位差 / 電気抵抗変化 / ひずみ / マトリックス割れ / 無線 / 電気インピーダンス / 硬化 / CFRP

【研究成果の概要】

炭素繊維などの導電性繊維で強化された複合材料(CFRP)において,成形時の硬化度や成形不良,使用時のひずみや負荷履歴,点検時の破壊・損傷などのモニタリングは,成形コスト削減,使用時の健全性保証,点検コスト・時間の削減に直結するため重要な技術であり,個々にセンシング技術が発達してきている.例えば,熱硬化性樹脂の硬化度は成形時に市販の誘電率センサーを使用することでモニタリングが可能であり,また負荷時のひずみは市販のひずみセンサーを使用することでモニタリング可能である.点検時の破壊・損傷に関しては,簡便な評価方法が無く,申請者らが電気抵抗変化を利用した手法を提案してきた.これらのことから,同一センサーで成形時から使用時のひずみ,損傷などのすべてをモニタリング可能であり,この履歴を構造の履歴書として統一的に管理可能とするシステムが望まれている.本研究では導電性複合材料の成形から,使用時のひずみ,破損時の損傷までを同一の仕組みで統合されたシステムによってモニタリングする統合モニタリングシステムを新規に開発し,その履歴をオブジェクト化して統一管理することでモニタリングを高度化することを提案する.ハードとソフト面の統合化で,成形時からの情報をそのまま製品に保有した新しい製品履歴をソフトウエア的に作成可能となり,画期的な高度モニタリングシステムとなる.本研究では,3年間を通して,高度な硬化度モニタリング手法,ひずみモニタリング手法,マトリックス割れモニタリング手法,層間はく離モニタリング手法を実験的および解析的に検討し,高精度化を実現することに成功した.例えば,硬化度モニタリングにおいてはひずみや損傷モニタリングに利用可能な電極の一体成形時に1kHz付近の複数周波数の交流を負荷し,その電気容量の変化から簡便に硬化過程をモニタリング可能であることを実証し,ひずみモニタリングでは負のピエゾ抵抗のメカニズムを解明した.さらに繊維破断とマトリックス割れの分離や層間剥離の高精度簡便モニタリングを実証した.最後に複合材料をオブジェクト指向で捕らえることにより,複合材料オブジェクトのクラスを構築し,負荷に伴う変形解析を可能にした.また,複合材クラスのインスタンス変数に硬化からひじみ履歴,損傷履歴を入れることにより履歴記憶が可能なシステムを提案した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】船舶工学

【研究領域課題番号】13305066 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 船舶構造 / CFRP / 構造モニタリング / 成形モニタリング / 低コスト成型法 / 光ファイバセンサ / BOTDR / 低コステ成形型法

【研究成果の概要】

SESやハイドロフォイルなどの高速船において、高速化と経済性の両面から構造の軽量化が重要である。従来から、アルミ合金単板構造あるいはアルミ・ハニカムを心材とするサンドイッチ構造が高速船に利用されている。将来の船舶のより一層の高性能化のためには、比強度に優れた先進複合材料の適用が有効と考える。
CFRPを船舶構造に適用するためには、部材形状の大型化と成型コストの削減が重要である。既存の成型法では大型化と低コストを両立させたものはないので、新たな低コスト成型法を開発する必要がある。また成型品の品質保証を製造時および運用時に行えるシステムの開発が望まれる。
低コスト成型法として100℃以下の低温で賦形し、アフターキュアを高温(140〜180℃)で行うプリプレグ低温・低圧成形法に注目した。この成形法は、従来のオートクレーブ成形と比べて極めて低コストの成型法であり、大型部材にも適用可能である。しかし、アフターキュア時の熱変形や品質管理に未解決の技術課題を残しており、実用化の障害になっている。
本研究では、成形モニタリング、成型品の品質評価および使用中の性能モニタリングのため、光ファイバセンサ(BOTDR)を埋め込んでCFRPと一体化した知的構造とすることにより、本成型法の用途拡大と実用化を可能とするための基礎技術を開発した。
低温・低圧成形成型法の大型化のための技術課題を明らかにするとともに、光ファイバ埋め込み技術とひずみ測定技術を確立し、成形プロセスのモニタリングと完成品の品質評価を可能とする知的複合材料構造を試作した。さらにこのセンサーシステムの耐久性と信頼性を保持する方法を検討し、運用中のモニタリングやメンテナンスでの利用方法について検討した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】28,600千円 (直接経費: 22,000千円、間接経費: 6,600千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】11650078 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 層間はく離 / 電気抵抗 / スマート構造 / 応答曲面 / CFRP / 知的構造

【研究成果の概要】

CFRP積層板は層間強度が弱く,工具落下など面外からの弱い衝撃でも容易に層間にはく離が発生し,構造物の圧縮強度・圧縮剛性の大幅な低下を招く.そこで,層間はく離の検出は構造安全性保証の観点から非常に重要となる.このため,CFRP積層構造では稼働中もしくは保守点検時に非破壊的,自動的に容易に層間はく離を検出できる知的構造が望まれている.本研究では,強化繊維の炭素繊維をセンサとして使用する電気ポテンシャル法を用いてCFRP積層板内部に存在する層間はく離の位置および寸法の定量的検出を実験的に実施した.層間はく離による電気ポテンシャル変化から層間はく離の位置および寸法を検出するには,ポテンシャル変化と層間はく離の位置および寸法の関係を求める逆問題手法が必要となる.そこで本手法ではポテンシャル変化と層間はく離の位置および寸法の関係を応答曲面で近似的に求めた.まず簡単な梁形状試験片を用いて1次元問題に対して適用した.さらに実機構造に適用することを考慮して,平板形状試験片を用いて完全に埋没する層間はく離の位置と寸法の同定問題に対して本手法を適用し,その有効性を実験的に確認した.その結果以下のことが明らかになった.(1)電気抵抗変化または電圧変化の情報に応答曲面法および実験計画法を適用することで,逆問題である層間はく離の位置および寸法の定量的同定が可能である.(2)電極を表面層に5個配置し,積層構成ごとの実験値に基づく応答曲面により,高い同定精度が得られる.(3)電気抵抗変化法・電圧変化法の両測定法ともに,実機平板構造の埋没はく離同定問題に対しても有効である.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】08875022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

インテリジェント化 / 複合材料 / アクチュエータ / マトリックスき裂 / CFRP / GFRP / 静的強度 / 剛性低下 / 光ファイバセンサ / エポキシ / コンクリート / インテリジェント

【研究成果の概要】

前年度において,一液性熱硬化型のエポキシ樹脂を熱により作動するカプセル内に封入して,貼付補修用アクチュエータとする手法を提案し,接着剤の軟化,放出,硬化を行うアクチュエータとしての動作確認を行い,予めコンクリート中に埋め込んでおいた接着カプセル封入アクチュエータを熱により作動させ,コンクリート表面に張り付けたCFRPのはく離の補修を行い,補修後の3点曲げ試験により補修が十分行われたことが確認できた.
本年度は,一方向GFRP積層材に発生する損傷現象に着目し,自己補修するインテリジェント化を行った.初期損傷形態であるマトリックスき裂,層間はく離を補修するために,マトリックス樹脂中に加熱により溶融,浸透し接着する補修用アクチュエータを配合した複合材料を成形することに成功した.この材料の性能を調査する目的で試験片を製作し,静的曲げ試験,疲労試験を行った.一度目の静的曲げ試験によって生じたマトリックスき裂と,これに起因する層間はく離は,加熱後行った二度目の曲げ試験の結果から加熱により補修されていることが確認された.また,引張疲労試験を行い疲労寿命,及び試験過程での剛性低下現象を調査した.アクチュエータを含まない通常のGFRP試験片と比較を行ったところ,複合材料で破壊とされる剛性低下値になるまでは両方とも類似した挙動を示したが,この時一度試験を中断し,加熱を行った後再試験を行うと,一時的に剛性は回復し,その後の寿命は通常のGFRP試験片よりも長くなった.以上の結果から,インテリジェント化により自己補修を行うことで通常のGFRPの性能を上回る新しい複合材料となることがわかった.

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)