Damage evaluation and lifetime prediction of CFRP composites initiated from microdefects

由微缺陷引起的 CFRP 复合材料损伤评估和寿命预测

• 批准号: 21K14047
• 负责人: 大島 草太
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Tokyo Metropolitan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 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-21K14047/
• 关键词: 炭素繊維強化複合材料; 微視的損傷; その場観察; 破壊メカニズム ３．研究課題名; 破壊メカニズム; 炭素繊維複合材料; トランスバースクラック

本研究ではCFRP（炭素繊維強化プラスチック）積層板に超微細な人工欠陥を導入し、CFRPの特に初期の破壊とされるトランスバースクラック（繊維と直交する方向に進展する亀裂）の発生・進展メカニズムの解明を目標としている。2022年度までは人工欠陥を導入したCFRP積層板を作製し、静的荷重下ならびに疲労荷重下におけるその場観察試験を行った。CFRPの成形時に直径2.5～50μmのタングステンワイヤと直径20μmのPTFEファイバを1本、荷重と繊維方向が直交する層に繊維と平行に埋め込み、人工欠陥を導入したCFRP積層板を成形した。疲労荷重下でのその場観察試験を行うために、試験機の荷重波形と同期して顕微鏡のシャッターを切る機構を開発した。開発した機構は試験機と同期して撮影が可能であるため、各サイクルにおける最大荷重時に高倍率の顕微鏡画像を取得可能な機構である。これにより、疲労荷重下の場合でも繊維と樹脂が識別可能なスケールにおいて連続的に損傷挙動が観察可能であることを確認した。疲労荷重下では最大応力の減少に伴い亀裂進展までのサイクル数が増加すること、繊維と樹脂のはく離は低いサイクル数で発生するが、進展まではある程度のサイクル数を要することなどが明らかになった。また、欠陥を起点としたものに加えて、各層の界面から進展する亀裂も確認されたため、これらの相互作用についても検討が必要なことが示唆された。2023年度には引き続き疲労荷重下でのトランスバースクラック発生・進展の挙動評価を行うとともに、数値解析手法の検討を行う予定である。

In this paper, the development and progress of CFRP laminates with ultra-fine artificial defects are studied. In 2022, CFRP laminates were manufactured under static loads and field tests were conducted under fatigue loads. CFRP is formed by introducing PTFE with a diameter of 2.5~50μm into the CFRP laminate, such as a single layer, a load, a dimension direction, a perpendicular layer, a parallel layer, and an artificial dimension. The test results of the field test under fatigue load are as follows: Open the mechanism to test the machine, the same time to capture the image, the maximum load, the high magnification of the micro-mirror image, the possibility of the mechanism Therefore, it is confirmed that in situations under fatigue load, it is possible to recognize the presence of fibers and resins, and it is possible to detect damage and movement caused by the connection. Under fatigue load, the maximum strength decreases with the increase in the number of cracks, and the number of cracks in the resin increases with the increase in the number of cracks. The interface of each layer is separated and confirmed, and the interaction between the layers is discussed. In the year 2023, the evaluation of the development and progress of the vehicle under the fatigue load and the evaluation of the numerical analysis method are scheduled.

项目成果

CFRP積層板における欠陥を起点としたトランスバースクラックの損傷進展過程

CFRP层合板缺陷引起的横向裂纹损伤进展过程

• 发表时间: 2022
• 作者: 大島草太;樋口諒;小林訓史
• 通讯作者: 小林訓史

In situ optical observation of damage and failure process in adhesively bonded CFRP joints under mixed-mode loading

• DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.116453
• 发表时间: 2022-11
• 期刊: Composite Structures
• 影响因子: 6.3
• 作者: Sota Oshima;Tomoisa Mikami;A. Yoshimura;Y. Hirano;T. Ogasawara

微視的欠陥がトランスバースクラックの発生・進展に及ぼす影響の実験的評価

微观缺陷对横向裂纹产生和扩展影响的实验评价

• 发表时间: 2021
• 作者: 大島草太

CFRP構造のき裂進展挙動に及ぼす微視的損傷の影響

微观损伤对CFRP结构裂纹扩展行为的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 大島草太;大島草太
• 通讯作者: 大島草太

High-resolution in situ characterization of micromechanisms in CFRP laminates under mode II loading

II 型加载下 CFRP 层压板微观机制的高分辨率原位表征

• DOI: 10.1016/j.engfracmech.2021.108189
• 发表时间: 2022
• 期刊: Engineering Fracture Mechanics
• 影响因子: 5.4
• 作者: Sota Oshima;Aya Mamishin;Masaki Hojo;Masaaki Nishikawa;Naoki Matsuda;Manato Kanesaki
• 通讯作者: Manato Kanesaki