小型試験機を用いた連続繊維強化複合材料の力学的特性に関する研究

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今年度は複合材料(carbon強化繊維,エポキシマトリクス)off-axis材の引張試験を行い、Mode I型破壊の統計的性質とその原因を調べるための研究を行った。昨年度の研究によって、強化繊維自体の強度はワイブル統計によって、ストランドの強度は強化繊維の強度分布から推定可能であることがわかっている。これをふまえて、off-axis材のMode I型の破壊もワイブル統計による強度の推定が可能であることが予想された。切欠きは種々の切欠き半径と切欠き深さの寸法を超硬ドリルによって加工した。加工が超硬ドリルのみの場合、引張強度は非常にばらつき、また破壊起点の位置もばらついた。プラスチックレプリカ法による観察を行い、加工損傷について調べたところ、ドリル径4mm(切欠き半径2mm)以下の場合、繊維の掘り起こし損傷が確認され、これがばらつきの原因であることがわかった。一方、ドリル径が4mmより大きい場合、掘り起こし損傷はそれほど大きくない。また、弾性応力解析を行い、破壊起点についての応力場を調べたが、試験片ごとのばらつきが大きく、共通した性質や切欠き半径などの寸法に依存した性質も見つけることができなかった。次にドリル加工による損傷を取り除くために加工面を研磨した試験片の実験を行った。加工の都合上、切欠き半径2mmと4mmのものしか製作できなかったが、2mmのものについては引張強度が大きく向上し、4mmのものについては若干の向上がみられた。90度材はすべての試験片において切欠き底から破断した。これらは加工損傷がばらつきの原因であることを裏付ける結果となっている。さらに、これら研磨を行った切欠きを有する90度材の破断起点の破断ひずみと平滑材の破断ひずみについて、ワイブル統計(最弱リンク)に基づく体積効果について検討を行った。切欠き半径2mmのものについては体積効果から予測される強度を大きく下回り、弾性力学に基づいた連続体としての取り扱いでは破壊を論じることが難しく、小径ドリルの強度には注意が必要であることがわかった。方、切欠き半径4mmの試験片については体積効果による予測が可能であり、Mode I型の破壊が非常にローカルな応力場に支配されていることがわかった。