三次元ナノ空間構造体による接合界面の応力場制御と異種接合技術への展開

利用三维纳米空间结构控制键合界面应力场及异质键合技术发展

• 批准号: 21H01219
• 负责人: 細井 厚志
• 金额: $ 11.48万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01219/
• 关键词: 異種接合; ナノ構造; CFRTP; 応力場制御; 金属

近年，車両重量の軽量化による燃費向上が求められている．そこで，比強度，比剛性，リサイクル性に優れ，プレス成型可能な炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics : CFRTPs）を適材適所に用いた材料のマルチマテリアル化が進められている．金属とCFRTPの接合方法において，従来の接着剤接着や機械的締結は重量増加や品質管理の問題があり，新たな接合技術が求められている．これまで，アルミニウム合金表面にナノ構造を作製し，シランカップリング処理による化学結合によって直接接合する方法を提案してきた．繊維強化複合材料の層間破壊靭性評価方法としてDouble Cantilever Beam (DCB)試験がASTMやJIS規格に規定されており広く用いられているが，その評価手法は線形破壊力学に基づいており，材料の塑性変形が生じるほどの強固な直接接合試験片に対して破壊靭性を正しく評価できない．そこで本研究では，異種接合材の弾塑性特性および熱残留応力を考慮できる理論モデルの構築と実験的評価方法の提案を目的とした．J積分はき裂成長に伴うポテンシャルエネルギの変化量であり，DCB試験片をモデル化とすると，境界条件から荷重Pが寄与する機械的J積分，Jmechの値は，荷重Pと，荷重点のたわみ角θによってのみ決定される．一方で，熱残留応力による熱的エネルギーJtherは接合部のみ影響を受ける．計算の結果，機械的および熱的エネルギーは互いに独立していることが分かった．重ね合わせの原理よりこれらの合計が，熱残留応力を有する異種材接合試験片の塑性変形を考慮した見かけの層間破壊靱性と言える．実験結果から，機械的エネルギーのみを比較した場合，線形破壊力学を仮定したエネルギー解放率Gでは破壊靱性を過大評価していることが分かった．一方で数値シミュレーションとの比較はJ積分の実験結果とよく一致していることが示された．

近年来，通过减少车辆的重量来提高燃油效率的需求。因此，使用碳纤维增强的热塑性塑料（CFRTP）对材料进行多种物质化，具有特定强度，特异性刚度和可回收性，并且可以按挤压。在连接金属和CFRTP的方法中，常规的粘合键合和机械固化应遵守体重增加和质量控制问题，需要新的粘结技术。到目前为止，我们已经提出了用于在铝合金表面制造纳米结构的方法，并通过硅烷偶联处理通过化学键合成键合。双层悬臂梁（DCB）测试被广泛用作评估纤维增强复合材料的层间断裂韧性的方法，并由ASTM和JIS标准标准指定，但该评估方法基于线性裂缝机制，其裂缝韧性无法准确评估材料的直接粘合物，因此无法准确评估材料的材料。因此，这项研究旨在构建一个理论模型，该模型可以考虑不同键合材料的弹性塑性特性和热残留应力，并提出了一种实验评估方法。 J积分是与裂纹生长相关的势能的变化量，当对DCB样品进行建模时，机械J积分，JMECH的JMECH仅由负载P和负载点的偏转角θ确定。另一方面，由热残留应力引起的热能作用仅受关节的影响。计算表明，机械和热能彼此独立。基于重叠的原理，可以说这些总和是考虑到具有热残留应力的不同材料键合标本的塑性变形。实验结果表明，在单独比较机械能时，在假设线性断裂力学的能量释放速率G处高估了断裂韧性。另一方面，证明与数值模拟的比较与J积分的实验结果非常吻合。

项目成果

Fatigue delamination growth characterization of a directly bonded carbon-fiber-reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloys with surface nanostructure using DCB test

使用 DCB 测试直接粘合碳纤维增强热塑性层压板和具有表面纳米结构的铝合金的疲劳分层生长表征

• DOI: 10.1177/00219983211009282
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Composite Materials
• 影响因子: 2.9
• 作者: Saito Kei;Jespersen Kristine M;Ota Hiroki;Wada Keita;Hosoi Atsushi;Kawada Hiroyuki
• 通讯作者: Kawada Hiroyuki

平織CFRTP/アルミニウムFMLのホットプレス成形性に及ぼす異種接合表面処理条件の影響

不同接头表面处理条件对平纹CFRTP/铝FML热压成形性能的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: Chen Ta-Te;Watanabe Ikumu;Hideo Miura;塩澤大輝，出崎翔大，小川裕樹，阪上隆英，内田勇治，横田 太;會澤諒，細井厚志，川田宏之
• 通讯作者: 會澤諒，細井厚志，川田宏之

Effect of interfacial nanostructure on fatigue delamination growth in dissimilar joining of CFRTP laminates and aluminum alloys

界面纳米结构对 CFRTP 层合板和铝合金异种材料连接疲劳分层生长的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: Atsushi Hosoi;Kei Saito;Hiroki Ota;Kristine Munk Jespersen;Hiroyuki Kawada
• 通讯作者: Hiroyuki Kawada

Post-stretch 処理によるアルミニウム合金と CFRTP の 異種接合体における熱残留応力低減及びその力学的特性評価

后拉伸处理降低铝合金和CFRTP异种接头热残余应力及其力学性能评价

• 发表时间: 2021
• 作者: Nguyen Quang MINH;Yuichi OTSUKA;Yukio MIYASHITA;坂田巧，塩澤大輝，有馬敬育，阪上隆英，内野隆太郎，西谷雅弘，岸上俊介，春日裕樹;矢部優・濱田洋平・北村真奈美・福地里菜・橋本善孝;島桃花，齊藤慧，細井厚志，川田宏之
• 通讯作者: 島桃花，齊藤慧，細井厚志，川田宏之

Effect of interfacial nanostructure on mode mixity in directly bonded carbon fiber reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloy considering thermal residual stress

• DOI: 10.1299/jamdsm.2021jamdsm0051
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing
• 作者: H. Ota;Kristine Munk Jespersen;Kei Saito;Keitaro Wada;A. Hosoi;H. Kawada