Damage evaluation and lifetime prediction of CFRP composites initiated from microdefects

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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。