Study on Intensity of Singular Stress Field at the Fiber Entry Point in Pull-Out Test and Micro-bond Test Used for Fiber Reinforced Composites

Chen,  Dong

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アイテム

繊維強化複合材料の引抜試験とマイクロボンド試験における繊維入口部に生じる特異応力場の強さに関する研究

https://doi.org/10.18997/00007926

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kou_k_504.pdf (4.9 MB)

アイテムタイプ

学位論文 = Thesis or Dissertation(1)

公開日

2020-10-19

資源タイプ

資源タイプ識別子

http://purl.org/coar/resource_type/c_db06

資源タイプ

doctoral thesis

タイトル

Study on Intensity of Singular Stress Field at the Fiber Entry Point in Pull-Out Test and Micro-bond Test Used for Fiber Reinforced Composites

言語

タイトル

繊維強化複合材料の引抜試験とマイクロボンド試験における繊維入口部に生じる特異応力場の強さに関する研究

言語

eng

著者

Chen, Dong

抄録

内容記述タイプ

Abstract

内容記述

Wide application of fiber composite technology in various fields is based on taking advantage of the high strength and high stiffness of fibers. In fiber composites, both the fiber and the matrix retain their original physical and chemical identities, yet together they produce a combination of mechanical properties that cannot be achieved with either of the constituents acting alone. Many different alternative test set-ups and experimental techniques have been developed in recent years to gain more insight into the basic mechanisms, dominating the properties of the fiber/matrix interface. Among these experimental tests, Pull-out test and Micro-bond test are most widely used. A lot of analytical studies have been done to clarify pull-out phenomena in pull-out test and micro-bond test, but no studies are available for the intensity of singular stress field （ISSF） at the singular points that cause crack initiation. This intensity should be analyzed to evaluate the fiber/matrix interface properly. Previously, the finite element method and proportional method were used to evaluate the ISSF of butt joint and lap joint. These methods are used to study the ISSF in pull-out test and micro-bond test. This thesis is composed of total of 5 chapters and organized as follows. Chapter 1, gives an introduction of the pull-out test and micro-bond test and other experiments that used to evaluate the fiber/matrix interface in composites. Also gives an introduction of the finite element method and proportional method, which are mainly used in this study. Then the research purpose of this thesis is introduced, focusing on clarification of the pull-out mechanism of the fiber/matrix interface, and analysis of the ISSFs of different geometry and material combinations in pull-out test and micro-bond test. In Chapter 2, deals with a partially-embedded single-fiber under pull-out force in comparison with a single fiber embedded in matrix focusing on two distinct singular stress fields. Glass fiber/epoxy of pull-out test is mainly studied in this chapter. Then, the intensities of the singular stress fields （ISSFs） are compared at the fiber end named Point A* and the fiber/surface intersection named Point E*. To analyze the ISSFs accurately, a body force method （BFM） is used as the reference problem. In Chapter 3, the intensity of singular stress field （ISSF） is analyzed at the fiber entry/exit points in micro-bond test. The obtained ISSFs at the fiber entry point in micro-bond test are compared to the single fiber pull-out under the same fiber geometry. The results show that care should be taken for the previous micro-bond test geometry since the ISSF varies sensitively depending on the testing geometry. To control the initial fiber/matrix debonding and evaluate the bonding behavior correctly, suitable testing geometries are proposed in micro-bond testing. In Chapter 4, ISSF of carbon fiber/epoxy is analyzed for verifying the conclusions obtained in Chapter2 and Chapter3. The fiber end named Point A* is easier to debond, if the bonded length is short. The fiber entry named Point E* is easier to debond, if the bonded length is long. This is same for Glass fiber/epoxy and Carbon fiber/epoxy. However, the bonded length when Point A* and Point E* is equal severe is different for different material combination. As the reference solution, a single fiber embedded in matrix is also calculated under arbitrary material combinations by using the body force method （BFM）. By using this reference, the ISSFs in pull-out test is evaluated in the alpha-beta space. For Glass fiber/epoxy, the ISSF of Pull-out at Point E* is about 0.75 of that at Point E in micro-bond test. This ratio is verified for Carbon fiber/epoxy and Aramid fiber/epoxy. Finally, Chapter 5 provides the major conclusions, the most significant outcomes and contributions and suggestions for future works. / 繊維強化複合材料は，金属と比べて比強度が高く，価格も低いため，建設・海洋産業，航空宇宙技術・輸送分野・産業機器などに広く用いられている．強化繊維として，炭素繊維，ガラス繊維およびアラミド繊維のような非金属強化材料がよく用いられている．これら繊維強化複合材料において，強化繊維と母材間の界面強度特性が重要であるため，引抜き試験及びマイクロボンド試験が，多くの研究者に用いられており，その実験結果が議論されている．しかし，それらの試験において，界面の特異応力場には，ほとんど注意が払われておらず，繊維と母材の界面に平均応力が使用されているため，正確な議論がなされていない．したがって，そのマイクロボンド試験では，不適切と思われる試験条件が使用されており，実験結果に大きなばらつきがみられる．また，引抜試験とマイクロボンド試験の関係が明確でなく，両者の実験結果を比較することができないなどの問題がある．そこで，本論文では，引抜試験とマイクロボンド試験における繊維母材間の界面に生じる特異応力場の強さ（ISSF）に注目して解析を行った．そして，ISSFに及ぼす試験寸法の影響や，二つの試験方法の関係，ならびに，設計上の指針についてまとめた．本論文は，以下の5つの章から構成なる．第1章では，複合材料の繊維と母材の界面接着強度の評価に使用される引抜試験とマイクロボンド試験，および関連する他の実験の概要を述べるとともに，これらの試験において繊維入口部に生じる特異応力場について説明した．その特異応力場の強さISSFの解析のため，本研究で使用する有限要素法（FEM）と比例法，ならびに，ISSFに基づく接着強度の評価方法について述べた．また，引抜試験における埋め込み端部の解析には，基準問題として2次元長方形介在物問題の特異応力場を用いればよいことを示した．また，引抜試験とマイクロボンド試験における，繊維と母材の界面に生じるはく離のメカニズムや，試験寸法の影響および材料の組み合わせが異なる場合における2つの試験でのISSFの変化について述べた．第2章では，ガラス繊維強化複合材料（Glass/Epoxy）の引抜試験について，繊維と母材の界面に生じる2つの異なる特異応力場に注目し，埋め込み端部（点A*）と繊維入口部（点E*）に生じるISSFを比較した．点A*と点E*のISSFの厳しさを比較するうえで，両者の特異応力場は特異性が異なるので，ISSFのみで直接比較することはできない．そこで，本論文では，繊維のはく離に最も影響すると考えられる特異点近傍の異材接合界面の，引張応力分布に注目した．点A*，E*における垂直応力で壊れやすさを比較すると繊維埋込部長さが短いとき，点A*が点E*より壊れやすく，繊維埋込部長さが長いとき，点E*が点A*より壊れやすいことを明らかにした．第3章では，ガラス繊維強化複合材料（Glass/Epoxy）のマイクロボンド試験における，繊維退出部（点A）および繊維入口部（点E）のISSFについて述べた．マイクロボンド試験における，繊維入口部（点E）でのISSFは，同じ繊維寸法における第2章で述べている引抜試験の繊維入口部（点E*）のISSFと比較できる．その結果，埋込部長さがISSFに与える影響はマイクロボンド試験でも引抜試験と同様の傾向を示すことを明らかにした．また，引抜試験のISSFはいずれの埋込部長さにおいてもマイクロボンド試験のISSFのおよそ0.7倍の大きさとなることを示した．マイクロボンド試験におけるナイフエッジ寸法の影響について議論した結果，マイクロボンド試験のISSFはこの寸法によって敏感に変化することと，多くのマイクロボンド試験で不適切な試験寸法が採用されていることを指摘した．試験の際に繊維と母材のはく離を制御し結合挙動を正しく評価するために，マイクロボンド試験における適切な試験寸法を提案した．第4章では，ガラス繊維強化複合材料で得られた結論が他の強化繊維でも成り立つか検証した．具体的には，任意の材料組合せに対して繊維入口部に生じる特異応力場の強さを求めるための基準問題とISSF解析の手順を示した．そして，炭素繊維強化複合材料（Carbon/Epoxy）やアラミド繊維強化複合材料（Aramid/Epoxy）等におけるISSFを検討した．その結果，これらの材料組み合わせにおいてもガラス繊維強化複合材料（Glass/Epoxy）と同様のナイフエッジ寸法の影響が現れることを示した．さらに，マイクロボンド試験と引抜試験の関係についての議論を行っており，たとえば，炭素繊維強化複合材料（Carbon/Epoxy）の場合，引抜試験のISSFはマイクロボンド試験のISSFの約0.60倍となることを明らかにした．第5章は総括であり，本研究で得られた主要な結論を要約した．

内容記述タイプ

TableOfContents

内容記述

1 Introduction||2. Intensity of Singular Stress Field in Pull-out test||3 Intensity of Singular Stress Field in Micro-bond Test||4 Material Combination Effects on ISSFs in Pull-out Test and Micro-bond Test||5 Conclusions.

備考

内容記述タイプ

Other

内容記述

九州工業大学博士学位論文学位記番号：工博甲第504号学位授与年月日：令和2年9月25日

キーワード

主題Scheme

Other

主題

Micro-bond test

キーワード

主題Scheme

Other

主題

Fiber pull-out

キーワード

主題Scheme

Other

主題

ISSF

キーワード

主題Scheme

Other

主題

Fiber/matrix interface

キーワード

主題Scheme

Other

主題

FEM

アドバイザー

野田, 尚昭

学位授与番号

甲第504号

学位名

博士（工学）

学位授与年月日

2020-09-25

学位授与機関

学位授与機関識別子Scheme

kakenhi

学位授与機関識別子

17104

学位授与機関名

九州工業大学

学位授与年度

内容記述タイプ

Other

内容記述

令和2年度

出版タイプ

VoR

出版タイプResource

http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85

アクセス権

open access

アクセス権URI

http://purl.org/coar/access_right/c_abf2

ID登録

10.18997/00007926

ID登録タイプ

JaLC

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2023-05-15 12:56:17.102797

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