三次元ナノ空間構造体による接合界面の応力場制御と異種接合技術への展開

利用三维纳米空间结构控制键合界面应力场及异质键合技术发展

• 批准号: 21H01219
• 负责人: 細井 厚志
• 金额: $ 11.48万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01219/
• 关键词: 異種接合; ナノ構造; CFRTP; 応力場制御; 金属

近年，車両重量の軽量化による燃費向上が求められている．そこで，比強度，比剛性，リサイクル性に優れ，プレス成型可能な炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics : CFRTPs）を適材適所に用いた材料のマルチマテリアル化が進められている．金属とCFRTPの接合方法において，従来の接着剤接着や機械的締結は重量増加や品質管理の問題があり，新たな接合技術が求められている．これまで，アルミニウム合金表面にナノ構造を作製し，シランカップリング処理による化学結合によって直接接合する方法を提案してきた．繊維強化複合材料の層間破壊靭性評価方法としてDouble Cantilever Beam (DCB)試験がASTMやJIS規格に規定されており広く用いられているが，その評価手法は線形破壊力学に基づいており，材料の塑性変形が生じるほどの強固な直接接合試験片に対して破壊靭性を正しく評価できない．そこで本研究では，異種接合材の弾塑性特性および熱残留応力を考慮できる理論モデルの構築と実験的評価方法の提案を目的とした．J積分はき裂成長に伴うポテンシャルエネルギの変化量であり，DCB試験片をモデル化とすると，境界条件から荷重Pが寄与する機械的J積分，Jmechの値は，荷重Pと，荷重点のたわみ角θによってのみ決定される．一方で，熱残留応力による熱的エネルギーJtherは接合部のみ影響を受ける．計算の結果，機械的および熱的エネルギーは互いに独立していることが分かった．重ね合わせの原理よりこれらの合計が，熱残留応力を有する異種材接合試験片の塑性変形を考慮した見かけの層間破壊靱性と言える．実験結果から，機械的エネルギーのみを比較した場合，線形破壊力学を仮定したエネルギー解放率Gでは破壊靱性を過大評価していることが分かった．一方で数値シミュレーションとの比較はJ積分の実験結果とよく一致していることが示された．

近年来，需要通过减轻车辆重量来提高燃料效率。因此，人们正在努力通过使用可压制成型的碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）来制造多材料材料，该材料具有优异的比强度、比刚度和可回收性，并在正确的地方使用正确的材料。在连接金属和 CFRTP 时，传统的粘合和机械紧固存在重量增加和质量控制等问题，需要新的连接技术。到目前为止，我们提出了一种在铝合金表面创建纳米结构并使用硅烷偶联处理通过化学键直接连接的方法。双悬臂梁 (DCB) 测试是 ASTM 和 JIS 标准中规定的，广泛用作评估纤维增强复合材料层间断裂韧性的方法，但对于强度足以直接粘合的样品，断裂韧性无法正确评估。造成变形。因此，本研究的目的是构建考虑异种接头材料弹塑性和热残余应力的理论模型，并提出实验评估方法。 J 积分是伴随裂纹扩展的势能变化量。如果对 DCB 样本进行建模，则边界条件中载荷 P 贡献的机械 J 积分 Jmech 的值就是载荷值P 和负载点仅由偏转角 θ 确定。另一方面，由于残余热应力而产生的热能 Jther 仅在接头处受到影响。计算结果表明，机械能和热能是相互独立的。基于叠加原理，考虑到具有热残余应力的异种材料粘合试样的塑性变形，这些总和可以说是表观层间断裂韧度。实验结果表明，当仅比较机械能时，假设线性断裂力学的能量释放率G高估了断裂韧性。另一方面，与数值模拟的比较显示与J-积分的实验结果有很好的一致性。

项目成果

Evaluation of fracture toughness of thermally welded joints by removal of thermal residual stress

通过去除热残余应力评价热焊接接头的断裂韧性

• 发表时间: 2021
• 作者: Kazuki Harada; Kristine Munk Jespersen; Momoka Shima; Atsushi Hosoi; Hiroyuki Kawada
• 通讯作者: Hiroyuki Kawada

平織CFRTP/アルミニウムFMLのホットプレス成形性に及ぼす異種接合表面処理条件の影響

不同接头表面处理条件对平纹CFRTP/铝FML热压成形性能的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 會澤諒;細井厚志;川田宏之
• 通讯作者: 川田宏之

Effect of interfacial nanostructure on fatigue delamination growth in dissimilar joining of CFRTP laminates and aluminum alloys

界面纳米结构对 CFRTP 层合板和铝合金异种材料连接疲劳分层生长的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: Atsushi Hosoi; Kei Saito; Hiroki Ota; Kristine Munk Jespersen; Hiroyuki Kawada
• 通讯作者: Hiroyuki Kawada

Fatigue delamination growth characterization of a directly bonded carbon-fiber-reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloys with surface nanostructure using DCB test

使用 DCB 测试直接粘合碳纤维增强热塑性层压板和具有表面纳米结构的铝合金的疲劳分层生长表征

• DOI: 10.1177/00219983211009282
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 2.9
• 作者: Saito Kei;Jespersen Kristine M;Ota Hiroki;Wada Keita;Hosoi Atsushi;Kawada Hiroyuki
• 通讯作者: Kawada Hiroyuki

Effect of interfacial nanostructure on mode mixity in directly bonded carbon fiber reinforced thermoplastic laminates and aluminum alloy considering thermal residual stress

考虑热残余应力的界面纳米结构对直接粘合碳纤维增强热塑性层压板和铝合金模式混合的影响

• DOI: 10.1299/jamdsm.2021jamdsm0051
• 发表时间: 2021
• 作者: Hiroki Ota; Kristine Munk Jespersen; Kei Saito; Keita Wada; Atsushi Hosoi; Hiroyuki Kawada
• 通讯作者: Hiroyuki Kawada