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