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

微观损伤机制侧重于复合材料界面传热特性和粘合强度之间的类比

• 批准号: 22KJ1603
• 负责人: 藤田 涼平
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1603/
• 关键词: ロックインサーモグラフィ; 熱物性; 熱拡散率; 界面熱抵抗; 非破壊検査; CFRP; 疲労評価; 炭素繊維

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．

In this study, the stiffness reduction in the initial stage of fatigue and the micro-transformation of thermal transfer characteristics in carbon fiber reinforced composites (CFRP) were quantified. The reason for the low adhesion of carbon fiber and resin interface is that the thermal transfer characteristics are low and the thermal resistance of interface is low. The fatigue characteristics of the composite material are evaluated according to the load and stiffness reduction rate. One side of the problem is that the rigidity of the hand is low before it develops. In recent years, X-ray CT and thermal conductivity tests have been used to evaluate initial minor damage, limit imaging, limit portability, and evaluate unloaded conditions. In this study, a new and applicable non-contact high-sensitivity thermal property measurement technology was proposed and demonstrated. The following results were obtained in 2022. The thermal property measurement system was theoretically constructed for the bottom surface of CFRP test piece. The load cycle of CFRP laminate is different from that of CFRP laminate laminate. The result shows that the thermal dissipation rate is lower than that of CFRP laminate without load by 3% at most The surface distribution of heat dissipation rate is obtained by quantifying the heat dissipation state of the heat dissipation field. The same test piece is used to evaluate the thermal properties of the sample. The individual differences between samples were eliminated, and the thermal dispersion rate was reduced to a maximum of 4.5%. The main reason for the low thermal dispersion rate is the formation of CFRP and the analysis of the thermal resistance of the interface between CFRP and resin. As a result, the thermal resistance of the interface is determined to be the highest. The results of the study were recorded in the paper.

项目成果

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Thermal imaging measurements for mapping out-plane thermal conductivity and heat capacity of composites

用于绘制复合材料面外热导率和热容的热成像测量

• 发表时间: 2022
• 作者: Abdulkareem Alasli;Ryohei Fujita;Hosei Nagano
• 通讯作者: Hosei Nagano

Thermophysical Properties Mapping of Composites by Lock-in Thermography: Applications on Carbon Fiber Reinforced Plastics

• DOI: 10.1007/s10765-022-03109-7
• 发表时间: 2022-10
• 期刊: International Journal of Thermophysics
• 影响因子: 2.2
• 作者: A. Alasli;Ryohei Fujita;H. Nagano

Early-Stage Fatigue Evaluation of CFRP Laminates using Microscale Lock-in Thermography based on Laser-Spot-Periodic-Heating Method

• DOI: 10.1016/j.infrared.2022.104323
• 发表时间: 2022-08
• 期刊: Infrared Physics & Technology
• 作者: Ryohei Fujita;Kotaro Katsukura;H. Nagano

ロックインサーモグラフィ法によるCFRP疲労劣化評価手法の提案と疲労試験による妥当性検証

采用锁定热成像法的CFRP疲劳劣化评估方法的提议并通过疲劳试验进行验证

• 发表时间: 2023
• 作者: Alasli Abdulkareem;Fujita Ryohei;Nagano Hosei;藤田涼平，長野方星;藤田涼平，工藤奈都子，安部舜，M. J. Mohammad FIKRY，荻原慎二，小柳潤，長野方星
• 通讯作者: 藤田涼平，工藤奈都子，安部舜，M. J. Mohammad FIKRY，荻原慎二，小柳潤，長野方星