Microscopic damage mechanisms focused on analogy between heat transfer properties and bonding strengths at composite interfaces

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本研究では炭素繊維強化複合材料（CFRP）における疲労初期の剛性低下・損傷進展の兆候を熱伝搬特性の微小変化によって定量化する．さらには炭素繊維と樹脂界面の結合力低下に着目し，熱伝搬特性の低下が界面の熱抵抗に起因することを明らかにする．従来の疲労特性評価では繰り返し負荷によるクラック発生密度や剛性低下率が評価対象であった．一方でクラック発生以前にも剛性低下が確認されており，その原因とされる微小損傷の発生メカニズム解明が課題となっている．近年では放射光ナノX線CTや熱弾性試験等により初期微小損傷が評価されつつあるが，対象スケールの制限，可搬性の制限，除荷状態での評価が不可といった課題がある．本研究ではロックインサーモグラフィによる非接触高感度熱物性測定技術を新たに適用することで，これまでにない除荷状態かつ実スケールでの疲労劣化評価法を提案・実証する．2022年度は以下に示す成果を得た．CFRP試験片側面のマイクロスケール温度応答から厚さ方向の実効熱拡散率を測定する実験系および理論を構築した．負荷回数の異なる積層板CFRPに対して本測定法を適用した結果，実効熱拡散率が無負荷時と比較して最大3%低下した．さらに広域の疲労状態を定量化するため加熱領域を試験片表面全体とすることで実効熱拡散率の面分布を取得する実験系および理論を構築した．そして同一の試験片に対し疲労試験と熱物性評価を交互実施することで負荷回数との相関を検証した．これにより試料間の個体差を排除した結果，実効熱拡散率が最大4.5%低下することを実証した．また実効熱拡散率が低下する要因についてボイド生成，繊維と樹脂間の界面熱抵抗の寄与を検討するため，GeoDictによる定常熱伝導解析にてCFRPの実スケール積層構造を数値解析した．その結果，界面熱抵抗の寄与が最も大きいことが判明した．上記の成果は論文誌および学会にて発表した．