【研究領域課題番号】20H02345 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 成形 / 積層 / 硬化 / モニタリング

【研究成果の概要】

自動積層装置でプリプレグを積層する過程の挙動評価を行った。積層過程でのプリプレグの変形・ひずみ応答を評価可能なように積層装置の改造とチューニングを実施した。また光ファイバセンサを一体化させたプリプレグを用いることで、フィード、プリテンション、コンパクションローラでの圧着、脱型の全積層過程においてプリプレグに発生するひずみ変動をリアルタイムで取得した。積層品質を高めるためのプリテンションが、積層後にもプリプレグに残留することを明らかにし、成形残留変形への寄与が示唆された。
また、従来評価することのできなかった樹脂固化前の複合材変形挙動を明らかにするために、光ファイバ形状センサを新たに開発した。これは、プリプレグの両面に光ファイバを埋め込み硬化させたシート形状のもので、両面の光ファイバのひずみ差から曲げ変形を計算できる。このセンサを、あらかじめ形状の分かっている基準サンプルに沿わせることで形状同定精度を検証し、樹脂固化前の複合材変形挙動を明らかにするために十分な分解能と精度を有することを確認した。また基準サンプルを加熱する試験を実施することで、複合材成形過程において想定される温度変化環境でも安定した計測が出来ることを確認した。プリプレグ自動積層の際に生じるGAP部にこの光ファイバ形状センサを適用することで、GAP部に発生する面外方向の繊維うねりの形成にともない光ファイバのひずみ分布が変化することを確認した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】15K05673 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 構造キャパシタ / ３Ｄプリンタ / 自己センシング / CFRP / 電気抵抗変化 / 繊維破断 / ＣＦＲＰ / キャパシタ / 電気抵抗 / 破壊 / モニタリング / サンドイッチ構造 / 複合材 / 炭素繊維 / 電気二重層

【研究成果の概要】

高価な炭素繊維強化複合材料を一般構造に適用するため，構造以外の蓄電機能を持たせる構造キャパシタを開発する．本研究ではサンドイッチ構造のコア部分にキャパシタを内蔵するサンドイッチ構造キャパシタを提案した．フォームコアでは電解液の漏洩が発生するため，３Ｄプリンタで作成したスナップイン構造を用いることにした．スナップイン構造のコア内部に防水処理をしたキャパシタを設置することで蓄電機能目標を達成した．３点曲げ試験を実施し，剛性も十分であることを確認した．スキン材の炭素繊維の電気抵抗を測定することで破断直前に破断を検知可能であり，放電可能であることを確認した．

【研究の社会的意義】

軽量で高い剛性を持つが高価な炭素繊維複合材を一般構造に適用するため，構造以外の機能として蓄電機能を有する機能複合材料構造を作成した．本研究では，サンドイッチ構造の中央部分に蓄電機能を設置して構造の剛性と強度を持たせる．３Ｄプリンタを用いて雄雌型の嵌め込み形式を表皮材に同時成形し，簡単に組み立て可能なスナップイン構造とした．炭素繊維の電気抵抗変化を測定して事前に破壊を検知できる．このような構造と蓄電と破壊検知の多機能を有している構造は電気自動車などに利用可能であり，今後の省エネに寄与すると判断される．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【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】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】26220912 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / CFRP / 光ファイバセンサ / 成形プロセス / モニタリング / 品質保証 / 成形 / 硬化 / 成形モデリング

【研究成果の概要】

光ファイバ温度・ひずみ同時計測技術を、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の新規成形プロセスに適用可能なレベルまで向上させ、CFRPの成形、加工、組立、運用に渡るライフサイクルモニタリング技術として提案し、CFRPの品質保証・保守技術としての有用性を実証した。まず、埋め込み光ファイバ援用CFRP成形中その場物性評価基盤技術を構築し、従来では不可能であった成形途中の物性値の時間的変化を測定し、実用的な成形モデリングを行った。次に、脱オートクレーブ・低圧成形CFRP、熱可塑CFRP、CFRP二次接着接合構造、複雑形状CFRP構造等に適用するとともに、実用模擬CFRP構造レベルでの実証に成功した。

【研究の社会的意義】

CFRPは主要一次構造部材にも適用され、かつ日本の製造技術が強い。しかし、成形・組立などの製造上の問題および損傷後強度保証の難しさがあり、従来金属製航空機と比較して製造コストが高くまた十分な軽量化にも至っていない。
本研究では、ライフサイクルモニタリングによる構造高信頼化技術と，製造技術に課題はあるものの低コスト・高機能性のポテンシャルを有する新規CFRP製造プロセスを融合させる「複合材構造の知的ものづくり科学」を構築することで初めて可能になる、革新CFRP構造コンセプトを世界に先駆けて提案・実証することを目的とした。日本独自のもので、かつ学術的価値・優位性は高く評価されている。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2014-05-30 - 2019-03-31

【配分額】153,140千円 (直接経費: 117,800千円、間接経費: 35,340千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】25709082 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 損傷許容設計 / 損傷検知 / 損傷修復 / 損傷許容性 / 光ファイバ / 自己治癒 / 構造・機能材料 / 航空宇宙工学 / 複合材料・物性 / 航空機構造 / 自己修復 / 設計法 / 衝撃損傷 / 剥離損傷 / モニタリング / 補修 / 軽量化

【研究成果の概要】

本研究課題では耐損傷性の問題から十分な軽量化にいたっていない複合材航空機構造を対象に、大幅な重量低減を目標とした検討を行った。具体的にはこれまで構築してきた階層型光ファイバ損傷検知システムを損傷検知・修復ハイブリッドシステムに発展させるとともに、独自の急速補修技術と融合させて構造に適用することで、設計許容ひずみレベルを向上させることを試みた。損傷検知・補修融合技術を適用することで初めて可能になる軽量供試体を作製し、従来構造との強度比較実験を通して融合技術による重量低減ポテンシャルを示した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】21560079 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

破壊 / 複合材料 / CFRP / 層間はく離 / 電気抵抗 / ジュール発熱 / モニタリング / 落錘試験 / 損傷検知 / ジュール加熱 / 損傷 / 有限要素法

【研究成果の概要】

炭素繊維強化プラスチック積層板の強化繊維の炭素繊維をそのままセンサとして用いる自己損傷検知手法に熱変形の前後で電気抵抗を測定して差異を統計的に判定する手法を提案している.ジュール発熱を利用し,冷却過程でブロックごとの電気抵抗を測定し,電気抵抗変化の統計的関係の変化から,周囲との差異を検出する.この手法を衝撃荷重後の損傷,初期欠陥に適用し,実験的に検証した.また,電極損傷時にも有効に損傷の有無を検知できることを実験的に検証した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】18106014 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

航空宇宙工学 / 複合材料・物性 / 光ファイバセンサ / モニタリング / 複合材料 / 損傷許容設計 / 監視システム / 構造ヘルスモニタリング

【研究成果の概要】

本研究では、航空宇宙機複合材構造の損傷許容設計実現のための光ファイバセンサ監視システムを実用化するための基礎・基盤研究として、まず土台となる「損傷プロセスの観察と定式化」を進めた。また、「弾性波計測による監視システム」、「分布ひずみ計測による監視システム」両者の適用化に取り組むとともに、両者の特性を組み合わせることで、より信頼性と診断精度の高い監視システムを構築した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2006 - 2010

【配分額】103,220千円 (直接経費: 79,400千円、間接経費: 23,820千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】15560062 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / 炭素繊維 / はく離 / モニタリング / 電気抵抗 / 電位差 / 電気抵抗変化 / ひずみ / マトリックス割れ / 無線 / 電気インピーダンス / 硬化 / CFRP

【研究成果の概要】

炭素繊維などの導電性繊維で強化された複合材料(CFRP)において,成形時の硬化度や成形不良,使用時のひずみや負荷履歴,点検時の破壊・損傷などのモニタリングは,成形コスト削減,使用時の健全性保証,点検コスト・時間の削減に直結するため重要な技術であり,個々にセンシング技術が発達してきている.例えば,熱硬化性樹脂の硬化度は成形時に市販の誘電率センサーを使用することでモニタリングが可能であり,また負荷時のひずみは市販のひずみセンサーを使用することでモニタリング可能である.点検時の破壊・損傷に関しては,簡便な評価方法が無く,申請者らが電気抵抗変化を利用した手法を提案してきた.これらのことから,同一センサーで成形時から使用時のひずみ,損傷などのすべてをモニタリング可能であり,この履歴を構造の履歴書として統一的に管理可能とするシステムが望まれている.本研究では導電性複合材料の成形から,使用時のひずみ,破損時の損傷までを同一の仕組みで統合されたシステムによってモニタリングする統合モニタリングシステムを新規に開発し,その履歴をオブジェクト化して統一管理することでモニタリングを高度化することを提案する.ハードとソフト面の統合化で,成形時からの情報をそのまま製品に保有した新しい製品履歴をソフトウエア的に作成可能となり,画期的な高度モニタリングシステムとなる.本研究では,3年間を通して,高度な硬化度モニタリング手法,ひずみモニタリング手法,マトリックス割れモニタリング手法,層間はく離モニタリング手法を実験的および解析的に検討し,高精度化を実現することに成功した.例えば,硬化度モニタリングにおいてはひずみや損傷モニタリングに利用可能な電極の一体成形時に1kHz付近の複数周波数の交流を負荷し,その電気容量の変化から簡便に硬化過程をモニタリング可能であることを実証し,ひずみモニタリングでは負のピエゾ抵抗のメカニズムを解明した.さらに繊維破断とマトリックス割れの分離や層間剥離の高精度簡便モニタリングを実証した.最後に複合材料をオブジェクト指向で捕らえることにより,複合材料オブジェクトのクラスを構築し,負荷に伴う変形解析を可能にした.また,複合材クラスのインスタンス変数に硬化からひじみ履歴,損傷履歴を入れることにより履歴記憶が可能なシステムを提案した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)