No.14ナノ・ミクロレベルの信頼性評価技術の開発および基盤技術の材料評価を通じた研究成果

テンションロッドに求められる性能は主に引張特性です。そこで、炭素／ガラス繊維と熱可塑エポキシを用いた複合材料テンションロッドの温度環境下における引張試験を行いました。
引張試験には万能材料試験機を用い、1 mm/minのクロスヘッド変位制御で試験を行いました。評価部の長さは50 mm、試験片中央部にひずみゲージを貼付しました。試験温度は‐50 ºC、0 ºC、室温（23ºC）、50 ºC、80 ºCの計５段階を用いました。特に、50 ºC、80 ºCではロッドの評価部のみを加熱する特殊な加熱治具を用いました。
低温（‐50 ºC、0 ºC）および室温（23 ºC）では、応力－ひずみ関係は線形的な挙動を示し、高温（50 ºC、80 ºC）では、応力－ひずみ関係は非線形な挙動を示しました。引張弾性率は低温（-50 ºC、0 ºC）から室温（23 ºC）までは大きな変化がなく、高温（50ºC、80 ºC）で引張弾性率のわずかな低下が見られました。一方、引張強度は試験温度の上昇とともに線形的に低下する傾向が見られました。
複合材料テンションロッドの引張強度にもバラツキがあります。信頼性評価として、複合材料テンションロッドの引張強度のバラツキを評価しました。データの統計的なバラツキを評価するため、二母数ワイブル分布による評価を行いました。各試験温度でのワイブル分布を用いた複合材料テンションロッドの強度バラツキの評価結果を示します。複合材料テンションロッドのワイブル係数は非常に高い値を示し（炭素繊維のみの引張強度のワイブル係数は～10程度です）、強度のバラツキが小さいこと示しています。
また、デジタルマイクロスコープを用いた複合材料テンションロッドの破断面様相を示します。低温（-50ºC、0 ºC）では、同じ位置の近傍でほとんどの炭素繊維が破断し、炭素繊維コア部の破断面が平坦となっていました。本破壊は脆性的な破壊であると考えられます。高温（80 ºC）では、炭素繊維が長手方向の様々な箇所で破断し、炭素繊維コア部の破断面がより凸凹となっていました。延性的（非脆性的）な破壊であると考えられます。このように破断面の観察し、その破壊過程を明らかにしています。
本成果は複合材料テンションロッドを様々な社会実装の姿に適用できる評価結果であり、社会実装に貢献できる信頼性評価です。

テンションロッドに求められる性能は引張特性ですが、局所的な部分では曲げや圧縮負荷が作用します。この局所的な負荷の結果として複合材料テンションロッドの引張特性を低下させる要因になります。そこで、複合材料テンションロッドの横方向圧縮試験、その場観察を用いた変形過程評価および変形過程の有限要素法解析を行いました。変形過程をより詳細に明らかにするため、デジタル画像相関法を用い、複合材料テンションロッドの横圧縮挙動を評価しました。横圧縮応力と変位の関係を示します。本関係より複合材料テンションロッドの横圧縮限界応力や限界変位が明らかとなりました。
また、複合材料テンションロッドの横圧縮負荷時のデジタル画像相関結果を示します。複合材料テンションロッドでは横圧縮負荷時に炭素繊維部の縦方向およびガラス繊維部と炭素繊維部との界面にひずみの集中が見られました。複合材料テンションロッドの横圧縮負荷時の破壊は本ひずみ集中部から発生し、炭素繊維部の縦割れおよびガラス繊維部と炭素繊維部との界面破壊となります。
さらに、横圧縮負荷時の有限要素法解析の結果を示します。実験での横圧縮応力と変位の関係およびデジタル画像相関でのひずみ集中の結果が再現できました。
本成果は、複合材料テンションロッドのより詳細な損傷・破壊機構の解明に役立ちます。

デジタル画像相関法を用いた複合材料テンションロッドの
横圧縮挙動評価

複合材料テンションロッドの横圧縮挙動評価で界面でのひずみ集中および破壊についての検討結果が示されました。また、複合材料テンションロッドを実構造物に適用する際には定着部が存在し、定着部からテンションロッドのガラス繊維部、界面を通して炭素繊維部に応力が伝達されます。複合材料テンションロッドでは界面挙動を定量的に評価することが重要です。そこで、複合材料テンションロッドの界面せん断特性にも着目した押し込み（プッシュアウト）試験も実施しました。
プッシュアウト試験の様相およびプッシュアウト試験後の試験片の状態を示します。プッシュアウト試験には卓上型材料試験機を用い、0.5 mm/minの変位制御で試験を行いました。また、界面せん断特性の温度依存性をペルチェ方式の加熱・冷却ステージを用いました。界面せん断（はく離）応力、界面せん断（滑り）応力と各試験温度での結果から界面せん断（はく離）応力、界面せん断（滑り）応力が温度の上昇とともに低下することがわかりました。本研究により、複合材料テンションロッドの温度環境下での界面せん断特性を評価できる試験評価技術が確立しました。また、本成果は、複合材料テンションロッドのより詳細な損傷・破壊機構の解明および界面特性を付与した強度・耐久性予測に役立ちます。

複合材料テンションロッドの長手方向の弾性率および強度が高い異方性を示す材料です。引張、曲げおよび横圧縮試験により複合材料テンションロッドの異方性は明らかになっています。一方、素材である炭素繊維も異方性を示す材料です。ナノレベルの評価技術として、素材、特に炭素繊維の異方性について検討を行いました。ナノインデンテーションによる構成素材の力学特性評価後の原子間力顕微鏡写真結果を示します。ガラス繊維および樹脂のナノインデンテーションを用いた局所的なインデンテーション弾性率は引張試験により得られる弾性率と近い値を示しました。一方、炭素繊維は引張試験では230 GPaの弾性率を示すのに対し、ナノインデンテーションを用いた局所的なインデンテーション弾性率は60 GPaとなりました。炭素繊維の横やせん断方向の低い弾性率（異方性）がインデンテーション弾性率に影響を及ぼしていることがわかりました。
本成果から研究を拡張し、現段階ではインデンテーション弾性率から炭素繊維の異方性弾性定数を求められるようになり、ナノテクノロジの材料評価技術への活用として学術的に社会に貢献しています。