繊維強化複合材料 繊維強化複合材料 繊維強化複合材料

早稲田大学大学院 理工学研究科

博士論文審査報告書 博士論文審査報告書 博士論文審査報告書 博士論文審査報告書

論 論 論

論 文 文 文 文 題 題 題 題 目 目 目 目

繊維強化複合材料 繊維強化複合材料 繊維強化複合材料

繊維強化複合材料の の の の疲労 疲労 疲労における 疲労 における における における

長期耐久性評価 長期耐久性評価 長期耐久性評価 長期耐久性評価 Evaluation of long

Evaluation of long Evaluation of long

Evaluation of long----term durability in fatigue of term durability in fatigue of term durability in fatigue of term durability in fatigue of fiber

fiber fiber

fiber reinforced reinforced reinforced composites reinforced composites composites composites

申 請 者

細 細 細 細 井 井 井 井

厚 厚 厚 厚 志 志 志 志

Atsushi Atsushi Atsushi Atsushi

Hosoi Hosoi Hosoi Hosoi

機械工学専攻 機械工学専攻 機械工学専攻

機械工学専攻 材料力学研究 材料力学研究 材料力学研究 材料力学研究

2008 年 2 月

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炭 素 繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク( CF RP )は 軽 量 で 優 れ た 機 械 的 性 質 お よ び 機 能 性 を 有 す る こ と か ら ， 航 空 宇 宙 分 野 を は じ め と し て 陸 上 輸 送 機 器 の 二 次 構 造 部 材 あ る い は ス ポ ー ツ 分 野 の 軽 量 ・ 機 能 性 材 料 に 至 る ま で ， 多 方 面 で の 活 発 な 利 用 が な さ れ て い る ．C F RP 積 層 板 が 大 型 民 間 旅 客 機 の 主 翼 あ る い は 胴 体 の 主 構 造 材 料 と し て 採 用 さ れ ， 実 機 へ の 運 用 が 始 ま ろ う と し て い る ． こ の こ と は ， 複 合 材 料 の 歴 史 に お い て 特 筆 す べ き 技 術 革 新 で あ る ．C F R P が 耐 疲 労 特 性 に 優 れ て い る こ と か ら ア ル ミ 合 金 の 代 替 材 料 と な り 得 た が ， 同 時 に 高 性 能 樹 脂 の 開 発 と そ れ に 伴 う C F R P 層 間 破 壊 じ ん 性 の 飛 躍 的 な 向 上 ， RT M ( Re s i n Tr a n s f e r

M o l d i n g ) に 代 表 さ れ る 成 形 技 術 の 高 精 度 化 と 低 コ ス ト 化 を 実 現 し た こ と な ど

が 相 俟 っ て ，CF RP が 航 空 機 材 料 と し て の 確 固 た る 地 位 を 確 立 し た と い え る ． さ て ， 金 属 材 料 か ら な る 機 械 ・ 構 造 物 の 破 壊 事 例 の 多 く が ， 疲 労 破 壊 に よ っ て 引 き 起 こ さ れ て お り ， な か で も 高 サ イ ク ル 疲 労 に よ る 破 壊 事 故 が 全 体 の 半 数 を 占 め て い る ．CF R P を 主 構 造 材 料 と す る 機 体 で は ， 構 造 材 料 と し て の 耐 疲 労 特 性 に 加 え て 耐 食 性 の 優 秀 さ か ら 定 期 的 な メ ン テ ナ ン ス の 大 幅 な 削 減 が 期 待 さ れ て い る ． 一 方 で ，C F R P 積 層 板 の 疲 労 に お け る 破 壊 プ ロ セ ス は 金 属 材 料 と 異 な り 非 常 に 複 雑 で あ る ． そ れ 故 ， 高 サ イ ク ル 領 域 に お け る 疲 労 特 性 に つ い て ， 従 来 の 研 究 は 積 層 板 に 特 有 な 損 傷 の 発 生 ・ 進 展 形 態 に 関 す る 観 点 か ら 精 力 的 に な さ れ て 来 た 経 緯 が あ る ． ま た 最 近 の 研 究 動 向 と し て ， そ の 疲 労 破 壊 に と も な う 損 傷 の 非 破 壊 的 な 検 出 方 法 に 関 し て も 技 術 的 な 課 題 を 克 服 し つ つ あ る ．

以 上 の よ う な 背 景 か ら ， 多 方 面 の 分 野 で 高 度 な 利 用 形 態 が 期 待 さ れ る CF R P の 長 期 信 頼 性 を 確 立 し ， 疲 労 損 傷 に 対 し て さ ら な る 安 全 策 を 検 討 す る こ と は 重 要 な 課 題 で あ ろ う ． 中 で も ，( 1 )繰 り 返 し 数 1 0⁸ c y c l e を 超 え る 疲 労 損 傷 挙 動 の 調 査 ，( 2 )超 長 寿 命 域 に お け る マ ト リ ッ ク ス ク ラ ッ ク や 層 間 剥 離 等 の 疲 労 進 展 挙 動 と 相 互 作 用 に 関 す る 両 研 究 課 題 は ， 未 解 決 な 問 題 と な っ て い る ．

本 研 究 で は 上 記 の 二 点 を 解 決 す る こ と を 目 標 と し ，CF R P 積 層 板 の 疲 労 損 傷 進 展 に つ い て 実 験 お よ び 破 壊 力 学 的 ア プ ロ ー チ か ら 評 価 を 行 っ た ．

本 論 文 は 8 章 に よ り 構 成 さ れ て い る ．

第 1 章 で は ， 複 合 材 料 に お け る 従 来 の 研 究 の 調 査 お よ び 本 研 究 の 背 景 と 意 義 を 述 べ て い る ． こ れ ま で 行 わ れ て き た 複 合 材 料 の 疲 労 損 傷 の 発 生 と 進 展 挙 動 に 関 す る 研 究 の 現 状 お よ び 課 題 等 を 総 括 し ， 本 論 文 の 研 究 目 的 を 示 し て い る ．

第 ２ 章 で は ， 加 速 試 験 の 実 施 に 際 し て ， 試 験 周 波 数 が 疲 労 特 性 に 与 え る 影 響 を 調 査 し ， 加 速 試 験 に 伴 う 積 層 板 の 発 熱 に つ い て 実 験 お よ び 解 析 的 ア プ ロ ー チ か ら 評 価 を 行 っ た ．CF RP 積 層 板 の 高 サ イ ク ル 疲 労 特 性 に つ い て ， 従 来 行 わ れ て い る 繰 り 返 し 周 波 数 1 ~ 1 0 H z 程 度 の 疲 労 試 験 で は 1 0⁸ c y c l e を 超 え る 系 統 的 な 試 験 結 果 を 得 る こ と は 困 難 で ， 加 速 試 験 の 必 要 性 を 指 摘 し て い る ． 熱 伝 導 方 程 式 を 用 い て 疲 労 試 験 中 の 試 験 片 の 温 度 上 昇 と 試 験 片 内 部 の 温 度 分 布 に つ い て 定 式 化 を 行 っ た ． さ ら に ， 線 形 粘 弾 性 特 性 に よ る エ ネ ル ギ 損 失 が す べ て 熱 エ ネ ル ギ に 変 換 さ れ る と 仮 定 し た 場 合 ， 試 験 片 の 温 度 上 昇 は 試 験 周 波 数 に 比 例 し ，

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負 荷 ひ ず み の 2 乗 に 比 例 し て 大 き く な る こ と を 示 し て い る ． 計 算 に よ り 得 ら れ た 結 果 は ， 試 験 片 の 温 度 が 定 常 状 態 に 至 る 疲 労 初 期 の 実 験 値 と 良 い 一 致 を 示 し て い る ． 実 験 及 び 解 析 に よ り 得 ら れ た 結 果 か ら ， 擬 似 等 方 性 C F RP ( T 7 0 0 H / 2 5 0 0 ) に お い て 試 験 周 波 数 1 0 0 H z で 試 験 を 行 う 場 合 は ，負 荷 応 力 レ ベ

ル をσ_{m a x/}σ_{b= 0 . 3} 以 下 に 設 定 し 疲 労 試 験 を 行 う こ と で ，積 層 板 の 発 熱 に よ る 影 響

を 無 く し た 加 速 試 験 が 可 能 で あ る こ と を 示 し て い る ．

第 3 章 で は ， 繰 り 返 し 数 1 0⁸ c y c l e ま で の 高 サ イ ク ル 疲 労 負 荷 が 作 用 し て ，

CF RP 積 層 板 内 部 に 生 じ る ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 進 展 挙 動 に つ い て 考 察 し て

い る ． ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 進 展 挙 動 を 定 量 的 に 評 価 す る た め に ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 進 展 速 度 と エ ネ ル ギ 解 放 率 の 関 係 を 示 し た（ 修 正 P a r i s 則 ）．そ の 結 果 ， 低 負 荷 応 力 域 に お い て 修 正 P a r i s 則 に は 適 合 し な い 領 域 が 存 在 す る こ と を 明 ら か に し て い る ．負 荷 応 力 レ ベ ルσ_{m a x/}σ_{b= 0 . 2} に お け る 試 験 結 果 で は ，繰 り 返 し 数 1 0⁸ c y c l e ま で に 試 験 片 内 部 へ の 進 展 は 観 察 さ れ な か っ た ． 以 上 の 実 験 結 果 及 び 解 析 的 評 価 に よ り ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 進 展 に お け る 下 限 界 の 存 在 の 可 能 性 を 示 し て い る ．

第 4 章 で は ， 高 サ イ ク ル 疲 労 負 荷 を 受 け る C F R P 積 層 板 に つ い て ， 試 験 片 自 由 縁 で 形 成 さ れ る 微 小 の ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 増 加 挙 動 に つ い て 定 量 的 に 評 価 を 行 っ て い る ． 本 研 究 で 使 用 し た 積 層 板 で は ， 自 由 縁 で 荷 重 軸 方 向 に 大 き な 引 張 の 応 力 特 異 場 が 生 じ る 積 層 構 成 で あ り ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク が 進 展 を 開 始 す る 前 に ， 微 小 の ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク が 多 数 形 成 さ れ た ． そ の 微 小 の ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 形 成 に 伴 う エ ネ ル ギ 解 放 率 を 定 式 化 し ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 形 成 速 度 と エ ネ ル ギ 解 放 率 の 関 係 を 用 い た べ き 乗 型 の 修 正 P a r i s 則 を 用 い て ， 定 量 的 に 微 小 の ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 増 加 挙 動 を 評 価 し た ． こ れ よ り ， 低 負 荷 応 力 レ ベ ル に お い て ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 形 成 の 遅 れ が 観 察 さ れ ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 形 成 に お け る 下 限 界 領 域 の 存 在 を 示 唆 し て い る ． 第 5 章 で は ， 繰 り 返 し 振 幅 数 1 0⁸ c y c l e ま で の 引 張 疲 労 試 験 を 行 い ， 高 サ イ ク ル 疲 労 に お け る 層 間 剥 離 進 展 挙 動 に つ い て ， 実 験 及 び 解 析 的 ア プ ロ ー チ に よ り 評 価 を 行 っ て い る ． 高 サ イ ク ル 疲 労 に お い て 層 間 剥 離 進 展 挙 動 は 負 荷 応 力 レ ベ ル に 依 存 し ， そ の 進 展 挙 動 が 異 な る こ と を 実 験 的 に 明 ら か に し た ． 解 析 的 評 価 と し て ，層 間 剥 離 進 展 に 伴 う エ ネ ル ギ 解 放 率 を エ ネ ル ギ バ ラ ン ス か ら 算 出 し ， 層 間 剥 離 進 展 速 度 と エ ネ ル ギ 解 放 率 の 関 係 を 示 し た 修 正 P a r i s 則 を 用 い て 評 価 を 行 っ た ． そ の 結 果 ， 本 研 究 の 範 囲 内 で は ， 層 間 剥 離 進 展 に お け る 明 瞭 な 下 限 界 は 観 察 さ れ な か っ た ．し か し ，負 荷 応 力 レ ベ ルσ_{m a x/}σ_{b= 0 . 2} の 試 験 条 件 下 に お い て ， 繰 り 返 し 振 幅 数 1 0⁸ c y c l e ま で に 層 間 剥 離 の 発 生 及 び 進 展 は 観 察 さ れ ず ， 層 間 剥 離 進 展 に お け る 下 限 界 領 域 の 存 在 の 可 能 性 を 示 し て い る ．

第 6 章 で は ， 高 サ イ ク ル 疲 労 領 域 に お い て ， 疲 労 初 期 に 発 現 す る ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク と 層 間 剥 離 成 長 挙 動 の 相 互 作 用 に つ い て 実 験 的 に 調 査 を 行 っ て い る ． ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク の 影 響 を 調 査 す る た め に ， 予 め 損 傷 が 導 入 さ れ た 試 験 片 と 納 入 材 と の 比 較 を 行 っ た ． こ れ よ り ， 予 め 導 入 し た ト ラ ン ス バ ー ス ク

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ラ ッ ク を 起 点 と し た 層 間 剥 離 は 観 察 さ れ ず ， 疲 労 負 荷 に よ っ て 新 た に 生 じ た ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク が 密 に 集 合 し た 箇 所 か ら e d g e d e l a m i n a t i o n（ 試 験 片 自 由 縁 か ら 生 じ る 層 間 剥 離 ）が 発 生 し た ．こ れ よ り ，本 研 究 で 用 い た 積 層 構 成（ 擬 似 等 方 性 ） で は ， 予 め 導 入 さ れ た ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク の 存 在 が 層 間 剥 離 の 発 生 や 進 展 に 与 え る 影 響 は 小 さ く ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク の 密 度 に 起 因 す る こ と を 明 ら か に し て い る ． さ ら に ， 第 5 章 に 示 し た 結 果 と 同 様 に ，CF RP の 異 な る 繊 維/樹 脂(T 8 0 0 H / 3 6 3 1)の 組 合 せ に お い て も ， 負 荷 応 力 レ ベ ル に 依 存 し て 層 間 剥 離 進 展 挙 動 が 異 な る こ と を 示 し て い る ．

第 7 章 に お い て ， 第 6 章 で 得 ら れ た 結 果 を 解 析 的 に 評 価 す る た め に ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク を 有 す る 積 層 板 の 3 次 元 応 力 解 析 を 行 い ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク の 影 響 を 考 慮 に 入 れ た 層 間 剥 離 進 展 に 伴 う エ ネ ル ギ 解 放 率 を 定 式 化 し た ． こ れ よ り ，9 0°層 の 試 験 片 自 由 縁 で は 大 き な 面 外 垂 直 応 力 が 生 じ て い る こ と を 示 し ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク に 関 わ ら ず 層 間 剥 離 が 発 生 す る 可 能 性 が あ る こ と を 示 し て い る ． ま た ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 密 度 に 関 係 し て ， 層 間 剥 離 進 展 に 伴 う エ ネ ル ギ 解 放 率 が 高 く な る こ と を 示 し て い る ． こ れ ら の 結 果 は ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク が 密 に な っ た 箇 所 か ら 層 間 剥 離 が 生 じ る と い う 現 象 を 説 明 す る こ と を 可 能 に し て い る ． ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク 成 長 に 伴 う エ ネ ル ギ 解 放 率 と 層 間 剥 離 進 展 に 伴 う エ ネ ル ギ 解 放 率 の 比 較 す る こ と に よ っ て ， ト ラ ン ス バ ー ス ク ラ ッ ク か ら 層 間 剥 離 へ と 損 傷 が 移 行 す る “ c r i t i c a l c r a c k d e n s i t y ”を 解 析 的 に 算 出 し ， 実 験 結 果 と 良 く 一 致 す る こ と を 示 し て い る ．

第 8 章 で は ， 本 論 文 の 結 論 及 び 今 後 の 展 望 に つ い て 示 し て い る ． 繰 り 返 し 数 1 0⁸ c y c l e オ ー ダ ー ま で の 疲 労 試 験 を 行 っ た 結 果 ，損 傷 進 展 に お け る 下 限 界 領 域

∆Gt h の 存 在 を 示 唆 し た ．ま た ，負 荷 応 力 レ ベ ル の 違 い に よ る 疲 労 損 傷 挙 動 の 差 異 を 明 ら か に し ，高 サ イ ク ル 領 域 に お け る 層 間 剥 離 進 展 挙 動 の 重 要 性 を 示 し た ．

以 上 要 す る に ， 本 論 文 は 実 験 及 び 解 析 的 ア プ ロ ー チ か ら 実 働 環 境 下 に お け る 複 合 材 料 の 長 期 耐 久 性 を 評 価 し た も の で あ る ．こ れ ま で F R P で は 成 し 得 な か っ

た 1 0⁸ c y c l e レ ベ ル の 疲 労 試 験 を 実 施 し ，マ ト リ ッ ク ス ク ラ ッ ク 成 長 と 層 間 剥 離

成 長 の 相 互 作 用 を 体 系 的 に 調 査 す る こ と に よ っ て ， 複 合 材 料 の 高 サ イ ク ル 特 有 の 損 傷 進 展 挙 動 を 初 め て 明 ら か に し た ． こ の 成 果 は ，C F R P の 長 期 耐 久 性 の 確 立 と い う 観 点 か ら ， 材 料 強 度 学 お よ び 複 合 材 料 工 学 に 大 き く 貢 献 す る も の で あ る ． よ っ て ， 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る ．

2 0 0 8 年 2 月

審 査 員 （ 主 査 ） 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 川 田 宏 之 早 稲 田 大 学 特 任 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 戸 田 勧 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 浅 川 基 男 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 増 田 千 利 上 智 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 東 京 大 学 ） 末 益 博 志