Damage evaluation and lifetime prediction of CFRP composites initiated from microdefects

由微缺陷引起的 CFRP 复合材料损伤评估和寿命预测

基本信息

批准号：
21K14047
负责人：
大島草太
金额：
$ 3万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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

项目摘要

本研究ではCFRP（炭素繊維強化プラスチック）積層板に超微細な人工欠陥を導入し、CFRPの特に初期の破壊とされるトランスバースクラック（繊維と直交する方向に進展する亀裂）の発生・進展メカニズムの解明を目標としている。2022年度までは人工欠陥を導入したCFRP積層板を作製し、静的荷重下ならびに疲労荷重下におけるその場観察試験を行った。CFRPの成形時に直径2.5～50μmのタングステンワイヤと直径20μmのPTFEファイバを1本、荷重と繊維方向が直交する層に繊維と平行に埋め込み、人工欠陥を導入したCFRP積層板を成形した。疲労荷重下でのその場観察試験を行うために、試験機の荷重波形と同期して顕微鏡のシャッターを切る機構を開発した。開発した機構は試験機と同期して撮影が可能であるため、各サイクルにおける最大荷重時に高倍率の顕微鏡画像を取得可能な機構である。これにより、疲労荷重下の場合でも繊維と樹脂が識別可能なスケールにおいて連続的に損傷挙動が観察可能であることを確認した。疲労荷重下では最大応力の減少に伴い亀裂進展までのサイクル数が増加すること、繊維と樹脂のはく離は低いサイクル数で発生するが、進展まではある程度のサイクル数を要することなどが明らかになった。また、欠陥を起点としたものに加えて、各層の界面から進展する亀裂も確認されたため、これらの相互作用についても検討が必要なことが示唆された。2023年度には引き続き疲労荷重下でのトランスバースクラック発生・進展の挙動評価を行うとともに、数値解析手法の検討を行う予定である。

在这项研究中，我们将超细人工缺陷引入CFRP（碳纤维增强塑料）层压板中，并研究了横向裂纹（沿垂直于纤维的方向扩展的裂纹）的产生和扩展机制，这被认为是CFRP 失效的早期阶段，目的是阐明其原因。到2022年，我们已经制造出了带有人工缺陷的CFRP层压板，并在静载荷和疲劳载荷下进行了现场观察测试。 CFRP成型时，将一根直径为2.5~50μm的钨丝和一根直径为20μm的PTFE纤维平行于纤维嵌入载荷与纤维方向正交的层中，制成带有人工缺陷的CFRP层压板介绍的是模制的。为了在疲劳载荷下进行现场观察测试，我们开发了一种与试验机的载荷波形同步打开显微镜快门的机构。所开发的机构能够与试验机同步拍照，从而可以在每个周期的最大负载期间获得高倍显微图像。结果，我们确认即使在疲劳载荷下也可以在可以区分纤维和树脂的范围内连续观察损伤行为。已经清楚的是，在疲劳载荷下，随着最大应力的减小，直至裂纹扩展的循环次数增加，并且在低循环次数时会发生纤维和树脂的分层，但裂纹需要一定的循环次数。开发。此外，除了源自缺陷的裂纹外，还观察到从各层界面扩展的裂纹，这表明还应考虑这些裂纹之间的相互作用。在2023财年，我们计划继续评估疲劳载荷下横向裂纹萌生和扩展的行为，并考虑数值分析方法。

项目成果

期刊论文数量（14）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

In situ optical observation of damage and failure process in adhesively bonded CFRP joints under mixed-mode loading

DOI：
10.1016/j.compstruct.2022.116453
发表时间：
2022-11
期刊：
Composite Structures
影响因子：
6.3
作者：
Sota Oshima;Tomoisa Mikami;A. Yoshimura;Y. Hirano;T. Ogasawara
通讯作者：
Sota Oshima;Tomoisa Mikami;A. Yoshimura;Y. Hirano;T. Ogasawara

CFRP積層板における欠陥を起点としたトランスバースクラックの損傷進展過程

CFRP层合板缺陷引起的横向裂纹损伤进展过程

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
大島草太;樋口諒;小林訓史
通讯作者：
小林訓史

High-resolution in situ characterization of micromechanisms in CFRP laminates under mode II loading

II 型加载下 CFRP 层压板微观机制的高分辨率原位表征

DOI：
10.1016/j.engfracmech.2021.108189
发表时间：
2022
期刊：
Engineering Fracture Mechanics
影响因子：
5.4
作者：
Sota Oshima;Aya Mamishin;Masaki Hojo;Masaaki Nishikawa;Naoki Matsuda;Manato Kanesaki
通讯作者：
Manato Kanesaki

微視的欠陥がトランスバースクラックの発生・進展に及ぼす影響の実験的評価

微观缺陷对横向裂纹产生和扩展影响的实验评价