[論文レビュー] Homogenization of plain weave Carbon-Carbon composites with imperfect microstructure

Jan Vorel, Jan Zeman+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2010

Mechanical Behavior of Composites参考文献 45被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、平板織り炭素-炭素複合材料の現実的な微細構造的不整合、例えば層の重なり、ずれ、およびミクロスケールの空隙を、回転楕円体空孔を用いて表現する、修正された二層統計的同等周期単位胞を提案する。この手法は、有効熱伝導率および弾性剛性の予測精度を向上させ、実験データおよびMori-Tanaka法と比較して検証され、複雑な織り繊維複合材料の挙動をモデル化する上で高い信頼性を示している。

ABSTRACT

A two-layer statistically equivalent periodic unit cell is offered to predict a macroscopic response of plain weave multilayer carbon-carbon textile composites. Falling-short in describing the most typical geometrical imperfections of these material systems the original formulation presented in (Zeman and Sejnoha, International Journal of Solids and Structures, 41 (2004), pp. 6549--6571) is substantially modified, now allowing for nesting and mutual shift of individual layers of textile fabric in all three directions. Yet, the most valuable asset of the present formulation is seen in the possibility of reflecting the influence of negligible meso-scale porosity through a system of oblate spheroidal voids introduced in between the two layers of the unit cell. Numerical predictions of both the effective thermal conductivities and elastic stiffnesses and their comparison with available laboratory data and the results derived using the Mori-Tanaka averaging scheme support credibility of the present approach, about as much as the reliability of local mechanical properties found from nanoindentation tests performed directly on the analyzed composite samples.

研究の動機と目的

• 平板織り炭素-炭素複合材料に一般的に見られる幾何的不整合を的確に捉えることのできない既存モデルの限界を解消すること。
• 層の重なり、3方向における相互ずれ、および無視できるミクロスケールの空隙といった、現実的な微細構造的特徴を組み込むこと。
• 層間の回転楕円体空孔系を埋め込むことにより、有効性質の予測精度、特に熱伝導率および弾性剛性の予測精度を向上させること。
• 実験室データおよびMori-Tanaka法などの既存の平均化スキームと比較して、提案モデルの妥当性を検証すること。
• ナノインデンテーションから得られる局所的機械的性質と照合することで、局所的機械的性質のモデル推定値の信頼性を裏付けること。

提案手法

• 多層平板織り炭素-炭素複合材料の階層的構造を表現する二層統計的同等周期単位胞を構築する。
• 実際の製造ばらつきを反映させるために、3方向すべての空間的において織り層の重なりと相互ずれを許容する幾何的修正を導入する。
• 層間領域に回転楕円体空孔の集合を組み込むことで、通常のモデルで無視されがちなミクロスケールの空隙をモデル化する。
• 均質化技術を適用して、修正された単位胞から有効熱伝導率および弾性剛性を計算する。
• 数値シミュレーションを用いてマクロスケールの応答を予測し、実験データおよびMori-Tanaka平均化スキームと比較する。
• 予測された有効性質と測定値との一致度を評価することで、モデルの正確性を検証する。また、ナノインデンテーションから得られる局所的性質との整合性も確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な微細構造的不整合を考慮することで、平板織り炭素-炭素複合材料のマクロスケール有効熱伝導率および弾性剛性の予測精度をどのように向上させられるか？
• RQ2 層間の回転楕円体空孔の導入によって、ミクロスケールの空隙効果をモデルがどの程度正確に反映できるか？
• RQ3 3方向における層の重なりとずれが、予測される有効機械的および熱的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 提案モデルは、実験データおよびMori-Tanaka平均化スキームと比較して、定量的にどのように複合材料挙動を予測するか？
• RQ5 ナノインデンテーション測定による局所的機械的性質と照合した場合、モデルの予測値は信頼できるとみなせるか？

主な発見

• 修正された単位胞は、層の重なりやずれといった重要な微細構造的不整合を的確に捉えており、従来の手法に比べて著しく現実性が向上している。
• 回転楕円体空孔の導入により、有効性質予測に不可欠な無視できるミクロスケールの空隙を正確に表現できている。
• 有効熱伝導率および弾性剛性の数値的予測値は、利用可能な実験室測定値と強く一致している。
• モデルの予測は、Mori-Tanaka平均化スキームの結果と同等の信頼性を示しており、その堅牢性が裏付けられている。
• モデルのマクロスケールの予測値とナノインデンテーションから得られた局所的機械的性質との整合性は、モデリング手法および実験データの両方の信頼性を支持する。
• 全体として、本アプローチは、微小スケールの幾何的ずれがマクロスケール挙動に与える影響を捉える点で、複雑な織り繊維複合材料のモデリングにおいて、より高い忠実性を示している。