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．

在这项研究中，我们根据热传播特性的微小变化，量化了碳纤维增强复合材料 (CFRP) 在疲劳初始阶段的刚度降低和损伤进展的迹象。此外，我们还关注了碳纤维与树脂界面之间的结合强度的降低，并阐明了热传播特性的降低是由界面的热阻引起的。在以往的疲劳特性评价中，评价了裂纹发生密度和反复载荷引起的刚度降低率。另一方面，在裂纹发生之前就已经确认了刚性的降低，阐明微损伤发生的机制是一个挑战。近年来，人们利用同步辐射纳米X射线CT和热弹性测试来评估初始微损伤，但存在目标尺寸限制、便携性限制以及无法在空载状态下评估等问题。在这项研究中，我们通过应用一种新的非接触式、高灵敏度的锁定热成像热物理性能测量技术，提出并演示了一种前所未有的空载条件下实际规模的疲劳劣化评估方法。 2022 年，我们获得了如下所示的结果。我们构建了一个实验系统和理论，根据 CFRP 样本侧面的微观温度响应来测量厚度方向的有效热扩散率。将这种测量方法应用于承受不同载荷循环的 CFRP 层压板后，与未施加载荷时相比，有效热扩散率降低了 3%。此外，为了量化大范围的疲劳状态，我们构建了一个实验系统和理论，通过将加热区域设置在样品的整个表面来获得有效热扩散率的表面分布。然后，我们通过对同一样本交替进行疲劳试验和热物理性能评估来验证与载荷次数的相关性。由于消除了样品之间的个体差异，结果表明有效热扩散率降低了高达 4.5%。此外，为了研究空隙形成和纤维与树脂之间的界面热阻作为降低有效热扩散率的因素的贡献，我们使用 GeoDict 使用稳态热传导分析对真实尺寸的 CFRP 层合结构进行了数值分析。结果表明，界面热阻的贡献最大。上述结果在期刊和学术会议上发表。

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

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

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

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