研究紹介
放射光X 線イメージングによる多層CNT 糸複合材料の破壊機構の解明
～ CNT糸複合材料のマルチスケールメカニクス ～
先端複合材料開発の研究展開において、現在も強化繊維の破壊特性の向上を追及する研究が世界規模で競合的に進められており、その先端材料に多層CNT が位置づけられている。多層CNT は先端複合材料の強化材料としての利用が期待されているが、既存材料の力学特性を超える複合材料の創製には至っていない。その理由は、多層CNT の撚糸である多層CNT 糸はナノ・ミクロ寸法の材料であり樹脂環境中の破壊プロセスの観察は困難であり、実際の多層CNT 糸強化プラスチックで生じる損傷イベントは十分に理解されておらず、破壊プロセスに基づく力学モデルを構築するには至っていないからである。
本研究室ではこれまでに、2 本の多層CNT 糸をマトリクス樹脂内に平行に埋入したモデル試験片を評価対象として、引張荷重条件下における多層CNT 糸の破壊プロセスを放射光X 線ナノイメージング法により評価している。これにより、引張荷重の増加に伴う多層CNT 糸の破壊プロセスを世界で初めて三次元かつin-situ 逐次に観察することに成功している。さらに、実験に供したすべての試験片において2 本の多層CNT 糸の破断場所は概ね同一平面に存在することが観察されている。この同一平面内での多層CNT 糸の破断の発生は、一方向CFRP の損傷プロセスの初期段階で観察される繊維破断現象と類似しており、多層CNT 糸の破断に伴い隣接する多層CNT 糸に応力集中が生じ、その結果、同一平面での多層CNT 糸の破断が形成されたこと示している。このように、2本の多層CNT糸モデル試料を用いた予備的な検討結果からは、多層CNT糸複合材料の引張強度予測にマイクロメカニクスモデルを適用することができる可能性が示唆されているが、ミクロスケールの損傷イベントである多層CNT糸の破断の連鎖、つまり、破断部の集積を起点としてき裂が不安定的に進展し、最終破断に至るプロセスが生じるか否かを明らかにする必要がある。
[Selected papers]
Decreasing vacancy-defect sensitivity in multi-walled carbon nanotubes through interwall coupling Carbon Trends, 11 (2023), 100266. 
10.1016/j.cartre.2023.100266
Machine learning-assisted high-throughput molecular dynamics simulation of high-mechanical performance carbon nanotube structure Nanomaterials, 10(12), (2020), 2459.
10.3390/nano10122459
樹脂内のCNT 糸破断挙動を捉えた世界初の成果
(Spring-8、マルチスケール・マルチモードCT)
形状制約のない力学的異方性材料の簡易な弾性定数計測手法の開発
～ 超音波スペクトロスコピー法と画像マッチング技術 ～
国際的なカーボンニュートラル社会の実現に向けて、輸送機器のさらなる軽量化が求められている。この解決策の一つとして、アディティブマニュファクチャリング技術や材料を適材適所で組合せるマルチマテリアル化が注目されている。このような新しい製造法により作製された製品・材料を安心・安全に使用するためには、作製した製品・材料が想定した機能を有しているか否かの評価が必要不可欠である。特に、構造材料の使用範囲は一般的に弾性変形内であることから、その弾性特性を精度よく評価することが求められている。
固体材料の共鳴振動現象を利用した超音波共鳴法を用いて、3次元・複雑構造・力学的異方性を有する製品・材料の簡易な弾性定数計測手法を開発することを目的としている。本研究目的が達成されれば、一切の機械加工や表面処理を行うことなく全ての独立弾性定数を一度に計測することができることとなり、製品・材料の工程管理・品質検査・品質改善や3Dプリント製新規材料の品質評価などに役立てることができるものとなる。さらに、本法により計測された弾性定数が機械的試験法で測定される標準偏差に収まる測定精度を実現することを目標としている。
[Selected papers]
Determination of Elastic Constants in Complex-Shaped Materials Through Vibration-Mode-Pattern-Matching-Assisted Resonant Ultrasound Spectroscopy
Journal of Applied Physics (under review)
Determination of transverse isotropic elastic constants of nacre and constituent tablets based on genetic-algorithm-assisted resonant ultrasound spectroscopy
Results in Materials, 15 (2022), 100312.
10.1016/j.rinma.2022.100312
金属積層造形法で作製した64チタン（Ti-6Al-4V）の (左)振動実験および(左)有限要素解析により得られた共鳴振動の様子。
超音波スペクトロスコピー法と画像マッチング技術を用いることにより9つの独立弾性定数の計測に成功している。
炭素繊維の異方性弾性定数の測定
～共振超音波スペクトロスコピー法と均質化法～
炭素繊維強化プラスチックなどの複合材料は、力学特性の異なる素材からなる不均質材料であることから、変形挙動や損傷機構の評価には数値解析が用いらている。
より精度の高い数値解析を行うためには、炭素繊維および母材樹脂の正確な物性値の取得が必要である。本研究では、共振超音波スペクトロスコピー法および均質化法を
用いて異方性を有する炭素繊維の弾性定数の推定を行っている。
炭素繊維間干渉ならびに繊維/マトリクス樹脂との相互作用の解明
炭素繊維強化複合材料のさらなる特性向上のために、炭素繊維間干渉ならびに繊維とマトリクス樹脂との相互作用の解明に関する研究を行っています。
特にマルチファイバーコンポジットを用いた実験・解析の両アプローチに加えて、力学特性評価と分光測定とを組み合わせることで、損傷進展過程における
繊維間干渉ならびに応力伝達の支配因子となるマトリクス物性の解明を目指しています。
航空機用途における一方向CFRP複合材料の繊維方向引張強度予測の高精度化
CFRPの航空機への適用は、機体の軽量化による燃費向上およびCO2排出量の削減を実現します。機体の設計には、より高い特性のCFRPが要求されるため、
一方向CFRPにおける繊維方向引張強度の支配因子の理解が重要となります。本研究室では、実験および数値シミュレーションの両アプローチから航空機用CFRP
の繊維方向引張強度の高精度な予測を目指しています。
[代表論文]
”円孔を有する不連続炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの引張強度予測”
山本剛，坂本鎌治，岡部朋永，橋本雅弘，平野啓之
日本複合材料学会誌，43，3（2017)，104-111.
脆性薄膜の破壊特性評価
～高分子フィルムに形成したDLC薄膜の破壊特性評価～
高分子フィルムに脆性薄膜を蒸着した複合フィルムは電子デバイスやガスバリア材として利用されている。これらの複合フィルムは、構成要素
の破断ひずみや熱膨張係数の違いに起因して、薄膜の割れや界面での剥離が生じ、機能性低下の原因となっている。本研究では、実験と計算の両アプロ
ーチから脆性薄膜に生じるき裂発生機構の解明と高い耐久性を有する脆性薄膜の材料開発まで行っている。
[代表論文]
”Fracture behavior of diamond-like carbon films deposited on polymer substrates”
Go Yamamoto, Tomonaga Okabe, and Noriaki Ikenaga
Journal of Vacuum Science & Technology A, 36, (2018), Article No. 02C101.
10.1116/1.5003683
