その場実験から数値シミュレーションまでのマルチスケール検証

その場延伸とSEM観察

Phenom XL卓上走査電子顕微鏡を用いて引張試料台と結合し、低真空下で引張過程をリアルタイムで観察した。荷重速度は0.033 mm/minで、引張力と変位をリアルタイムで記録します。

結果表示：

• 引張曲線は弾性段階−非線形段階−急速破断の3段階を呈し、

• ピーク引張力は約158 Nで、対応する伸びは0.636 mmで、その後急速に故障した、

• SEMビデオはマイクロクラックの発生と拡張過程を明らかにし、断裂観察は大量の繊維の抜去と界面の脱粘を示し、材料の脆性断裂特徴を検証した。

図10：その場引張張力–変位曲線

図11：断面走査電子顕微鏡画像

図12：走査電子顕微鏡フレーム重畳軸方向歪み場Eyy

デジタル画像相関（DIC）解析

Avizoソフトウェアを通じてSEMビデオに2 D DIC分析を実施し、表面変位場と歪場を計算する。

結果：

• 主軸方向歪みEyyは上部に約5°傾斜の高歪み帯を形成し、

• 歪み帯において亀裂が急速に拡大し、最終的にマクロ破壊を引き起こす、

• 実験歪場は有限要素シミュレーション結果と高度に一致し、モデリング方法の正確性を検証した。

図13：有限要素メッシュとDIC領域（赤色ブロック）の比較

図14：変位に伴う歪み変化曲線

図15：代表的なボリューム要素の有限要素シミュレーション結果

数値モデリングとシミュレーション

Ansys Workbenchプラットフォームを使用したモデリング：

1. CTにより導出された繊維配向テンソル入力モデル

2. Material Designerに異方性弾塑性材料カードを構築する

3. テンソルを有限要素メッシュの局所座標系にマッピングし、繊維配向に伴う材料特性の変化を実現する

図16：材料カードと配向テンソル補間の概略

図17：材料定格のための標準サンプルの概略

図18：最終材料モデル（異方性降伏と硬化）

図19：SFRCモデリングのメッシュと張力設定

図20：繊維配向テンソルマッピング結果

図21：軸方向歪み分布シミュレーション結果

結論

本研究は原料回収、3 D印刷、顕微イメージングから数値モデリングまでの全リンク特徴づけ方法を示した。顕微CT、走査電子顕微鏡、DICと有限要素分析を統合することにより、再生炭素繊維複合材料の正確な記述と性能予測を実現した。

この方法は持続可能な複合材料の工業化応用を推進するだけでなく、予測性材料の設計とグリーン製造にも例を提供した。将来的には、メーカーは同様の総合分析手段を通じて、高性能と環境保護特性を兼ね備えた複合部品を自信を持って設計することができる。