【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】20560089 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊 / 複合材料 / 応力腐食割れ / 界面劣化 / FRP / 環境強度 / 長期信頼性 / 繊維強度低下

【研究成果の概要】

本研究では水環境下におけるGFRPの耐久性の評価ならびに寿命の予測法を提案した.平織Eガラスクロスを強化繊維に,ビニルエステル樹脂を母材に用いてGFRPを作成し,純水中および大気中において定荷重引張試験を行った.GFRP は純水中にてのみ破断し,荷重および試験温度の上昇とともに破断時間は短くなった.また試験中のGFRPに蓄積されるエネルギおよび劣化による破壊基準の低下を考慮して破断時間を予測し,実験結果とよい一致を得た.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】化学工学一般

【研究領域課題番号】09450284 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 粒子充てん複合材料 / 顕微IR / 腐食劣化 / エポキシ樹脂 / 耐食性 / 加水分解 / FRP / 腐食 / 粒子充てん樹脂 / 耐食FRP

【研究成果の概要】

本研究は、特に微視的な見地から複合材料を含む高分子材料の腐食劣化機構の解明を目的とするものである。腐食劣化反応の起きていると考えられる腐食層のフロントや複合材料における第2相(強化繊維やフィラー)との界面に着目し、具体的には微視的にどこまでが変色を含めた物理的な変化を受け、どこまで外部環境が拡散侵入し、最終的にどこまでが実際に化学反応を起こしているのかを解明することが鍵となる。そして機構解明により、高耐食性FRPシステムの設計指針を得ることが最終的な目的である。
初年度は、充てんした粒子のために予想以上の充てん効果が発現し、表面の腐食した生成物が全て溶液中に溶出してしまったため、顕微FT-IRを用いた反応した部分の評価を含めて詳細な評価が行えなかった。しかしながら、充てんした粒子の周りに環境液が浸入していることなどから、接液表面の効果を考慮したモデルにより大略粒子充てん複合材料の腐食に及ぼす充てん効果を明らかにすることができた。
2年目は、腐食生成物を表面に残す(腐食層形成型)の主鎖の長いエポキシをマトリックスとした複合材料について充てん粒子の形状、充てん量および粒径を変えてその微視的腐食機構について検討した。その結果、今回取りあげたマトリックス樹脂では腐食層を形成した。また、その腐食速度を評価すると、不定形と球形では不定形が、充てん量については高充てんが早い腐食を示すものの、粒径の効果はほとんど認められず、腐食層形成型についても昨年度の接液表面の効果を考慮したステレオロジーに基づくモデノレにより複合材料の腐食機構が説明されることが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】14,100千円 (直接経費: 14,100千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】06555027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スマート構造 / 光ファイバー / ひずみ / ひずみセンサー / FRP / 複合材料 / 損傷

【研究成果の概要】

磁気浮上列車用超伝導コイルの複合材料製断熱支持体はコイルを極低温に保持するため完全密閉されており、支持体の構造健全性は目視では確認できない。そこで、変動磁場の影響を受けず、小型で安価な屈曲光ファイバーを用いた複合材料製断熱支持体の損傷検出スマート構造化が望まれている。そこで本研究では屈曲光ファイバーによるひずみ検出に基づく損傷検出スマート構造の開発を目的として、ひずみ検出システム及び光ファイバー埋込による強度低下の影響の検討を解析的・実験的に実施した。
本研究では、曲げによる光伝播損失の解析結果から、ゲージ部だけの光ファイバーの曲げによる光伝播損失の影響を大きくするために、コアとクラッドの屈折差が小さい光ファイバーをゲージ部に採用し、ひずみゲージ部の形状最適化の結果から、光伝播損失の変化が大きい1/4-円形屈曲型高感度光ファイバーひずみセンサーを開発した。開発したひずみ計測システムを用いて引張ひずみを計測し、静的および繰返しひずみの実測が可能であることを実証した。
屈曲光ファイバー埋込による強度低下を検証することを目的として、3種類の被覆で直径が140〜400μmの6種の光ファイバーを複合材料試験片に埋込み、3点曲げ試験を実施した。この結果、直径200μm以下の光ファイバーであれば曲げ強度低下が無視し得ることを確認した。さらに光ファイバーを隣接して埋込む影響を実験的に検討した。その結果、隣接埋め込みによっても曲げ強度・引張強度の低下がないことを実証した。
以上により直径200μm以下の光ファイバーセンサーを用いたFRP断熱支持体の知的構造の開発し、その有効性を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1994 - 1996

【配分額】6,400千円 (直接経費: 6,400千円)

【研究分野】材料力学

【研究領域課題番号】04555027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エネルギー吸収 / 動的圧潰 / 衝撃試験機 / 薄肉断面部材 / 金属材料 / FRP / ひずみ速度 / 静的圧潰 / 衝突試験機 / 衝撃圧潰 / 塑性座屈 / 複合材料 / エネルギー吸収特性 / 材料特性 / 繊維強化プラスチック / 衝撃荷重計測 / 測定システム / エア・ガン / ロード・セル / 円筒 / 金属

【研究成果の概要】

昨年度までに完成した衝突試験システムにより,金属系ではスチールおよびアルミニウムにより,非金属系では炭素およびガラス繊維強化プラスチックによりそれぞれ製作された薄肉円筒および薄肉正方形試験体の衝撃圧潰試験を行った.金属系の試験体では,主に折り畳みによる安定な逐次圧潰が現れ,荷重の変動はあるもののエネルギー吸収は潰れの進行に対して比較的に推移した.また,同時に行われた静圧潰試験による結果と比較したところ,アルミニウム製の部材では衝撃圧潰の場合のエネルギー吸収量とほとんど差がなく,スチール製の部材では衝撃圧潰の方が約30%のエネルギー吸収量の増加が見られた.一方,非金属系の試験体では,金属の場合とは全く異なる繊維の破断や樹脂との剥離等による複雑な様相の圧潰が見られたが,荷重の変動が非常に小さい安定的な逐次圧潰であり,エネルギー吸収の推移も変形に対してやはり比例的であった.金属系では,有効な圧潰量が部材の長さの60%程度であり,それ以上はいわゆる底突き現象によりエネルギー吸収が望めないが,繊維強化プラスチック系では,ほとんど部材の全長を有効圧潰長さとして利用できた.一方,単位潰れ長さに対するエネルギー吸収量は,スチール・アルミニウム・繊維強化プラスチックの順で小さくなるが,単位潰れ質量に対するエネルギー吸収量は全くこの逆の順序で小さくなった.これを要するに,エネルギー吸収を必要とする機構設計を行う際に,最大吸収量・圧潰可能距離等により,薄肉部材の断面形状・材質を機能別に選択することが可能であり,本研究の成果がその指針を行えるものであることが明らかになった.特に繊維強化プラスチックでは圧潰モードの制御がその部材設計によって可能であり,今後に大きな期待の持てるエネルギー吸収部材であることが判明した.

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1994

【配分額】15,300千円 (直接経費: 15,300千円)