1. No category

外力下における広角・小角X線散乱
測定に基づく炭素繊維複合材料の
力学変形挙動解明
豊田工業大学極限材料専攻
田代孝二、山元博子、吉岡太陽、田原大輔、王 海
三菱レイヨン（株） 大竹研究所基礎解析センター
小林 貴幸
あいちシンクロトロン光センター
加藤一徳、酒井久資
1
PAN系炭素繊維
スポーツ用途
比強度、比弾性率
比強度(=強度/密度) /105 m2s-2
PAN系炭素繊維
（高強度）
PAN系炭素繊維
（高弾性率）
航空宇宙分野
Boeing787
比弾性率(=弾性率/密度) /105 m2s-2
麻生宏美、間鍋徹, 炭素, 227, 115 (2007).
2
炭素繊維の製造工程
ポリアクリロニトリル繊維
（PAN）
空気中 200～300℃加熱
耐炎化繊維
窒素中 1000～3000℃加熱
炭素繊維
3
炭素繊維の微視的構造（モデル）
ナノボイド
繊維軸
黒鉛結晶
d(002)
d(100,101)
１０
b
内部
002
表層
a
c
S. C. Bennett, D. J.
Johnson, Carbon, 17, 25
（1979）. TEM
4
黒鉛の結晶構造
００２面
繊維軸
六方晶
a
１０
b
１０面
c
１００面
１０１面
002
5
CF単繊維中の応力不均一分布状態
(Kobayashi, Tashiro, Carbon, 53, 29-37(2013))
炭素繊維に σbulk=1GPa の応力を与えた場合の応力分布
CF252GPa
CF445GPa
1 GPa
4.0GPa
1 GPa
0.5GPa
0.5GPa
0.92
1.0GPa
2.3GPa
0.4GPa
1.5GPa
0.14
弾性率の低い炭素繊維
炭素繊維の内部に応力の高い部
分が存在している可能性。
0.31
0.59
0.4GPa
表層、極表層の欠陥
⇒クラックの進展
弾性率の高い炭素繊維
繊維極表層で応力が高い。また繊維
極表層、表層には欠陥が存在しやす
い。⇒繊維極表層、表層からの破壊 6
炭素繊維の破壊開始点
Strength /MPa
7000
6000
5000
4000
3000
100
300
500
Modulus /GPa
700
繊維表面に破壊開始点
K. Naito, Y. Tanaka, J. M. Yang, Y. Kagawa. Carbon, 46, 189 (2008).
7
実際の使用
炭素繊維の複合材料
接着剤
CF
8
炭素繊維複合材料 力学変形の様子
炭素繊維の変形？ マトリックスの変形？
応力不均一分布？
破壊挙動？
9
本研究の目的
（１） 炭素繊維複合材料の力学変形に伴う炭素
繊維の結晶域、非晶域、高次構造、接着剤
の変形を微視的観点から追跡する
（２） それに基づいて、炭素複合材料における力
学的性質の弱点を明らかにし、炭素繊維
複合材料強化のための指針を与える
10
実験
（１） あいちシンクロトロン光施設ビームライン8S3
（２） 炭素繊維複合材料の変形時における構造
変化を追跡するために、広角X線回折、小角
X線散乱の二次元パターンを「その場」測定
（３） 試料
炭素繊維複合一軸配向試料（板）
繊維軸に平行、垂直な曲げ変形
11
II-CCD
(SAXS) 2.2m
vise
sample
Pilatus
(WAXD)
sample thickness 0.5mmt
X-ray beam 1.5x0.6 mm2
fiber
axis
X-ray wavelength 0.93 Å
12
fiber
axis
CF Composite
center
outside
inside
Compression // fiber
Bulk strain -1.9%
Si
WAXD 10
(100 + 110)
X-ray beam 1.5x0.6 mm2
sample thickness 0.5mmt
SAXS
13
fiber axis
center
outside
inside
CF Composite
Compression // fiber
X-ray beam
Bulk strain -1.8%
Si
Si
WAXD 002
SAXS
14
15
fiber
axis
X-ray
beam
d(10)
Inside center outside
16
d(002)
fiber axis
X-ray beam
outside
center
inside
17
d(002)
fiber axis
outside
center
inside
X-ray beam
18
まとめ
（１）予備的実験ではあったが、炭素繊維複合材料
の力学変形挙動を広角・小角X線散乱測定によっ
て追跡することができた。
（２）バルクな変形と黒鉛結晶域の変形とを比較す
ることができた。ただ精度がそれほどは高くない。
（３）より定量的かつ高精度の測定を、微小変形か
ら破壊に至る広い応力範囲にわたって、様々の変
形モードで行うことが今後必要である。
19