材料機能工学研究室北海道大学 大学院工学研究院
機械・宇宙航空工学部門

CFRPの三次元微小き裂進展のその場解析

一般的に、CFRPの損傷は表面からの観察によって捉えられてきました。しかし、実際の損傷は材料表面だけでなく材料内部方向にも進展するため、損傷メカニズムの解明にはき裂の三次元的な進展過程を捉えることが重要です。本研究室では、大型放射光施設SPring-8の高輝度X線CTを用いて繰り返し負荷を受ける材料内部の微小き裂を非破壊で三次元的に追跡するシステムを独自に開発しており、疲労損傷の素過程の解明を進めています。

エポキシ樹脂と炭素繊維の界面におけるき裂進展特性

CFRPの疲労破壊の起点は炭素繊維とエポキシ樹脂の界面き裂と言われていましたが、無数に存在する炭素繊維の中からランダムに発生する界面はく離を検出することは非常に困難です。本研究室では、エポキシ樹脂中に炭素繊維を1本だけ埋め込んだ試験片を作成することで、炭素繊維1本から生じる界面き裂の可視化に世界で初めて成功しました。さらに、繰り返し負荷に伴う界面き裂の三次元的な進展を、放射光X線ナノCTを用いて高分解能で観察し、き裂の進展量と樹脂の破壊靭性とを定量的に結び付けました。

これまでの研究成果

• Xuan Ngoc Chau Ho, Kosuke Takahashi, Noelle Billon, Jean-Luc Bouvard. Understanding the antiplasticization effect in epoxy resin: Interpretation using a physics-based constitutive model. Mechanics of Materials 2026;223:105864. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2026.105864
• Ryoma Nishiguchi, Naoya Matsuda, Kaede Yada, Kosuke Takahashi. Carbon-Fiber Interface Crack Extraction Using Machine-Learning Denoising of Low-dose X-ray CT. Journal of the Japan Society for Composite Materials 2026;52(1):22–29. https://doi.org/10.6089/jscm.52.22
• Naoya Matsuda, Kosuke Takahashi. Quantitative analysis of interface crack propagation along a single carbon fiber under off-axis cyclic loading using nanoscopic three-dimensional imaging. Composites Science and Technology 2026;276:111522. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2026.111522
• Kosuke Takahashi, Takuma Matsuo, Katsuma Wakabayashi, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Kentaro Uesugi, Takashi Nakamura. Influence of irradiation with synchrotron radiation X-ray on Nano-Scale CT for carbon fibers and epoxy matrix. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2025;198:109060. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.109060
• Kosuke Takahashi, Ryuto Higashiyama, Gaoge Xue, Takashi Nakamura. In situ analysis of three-dimensional microcrack propagation in cross-ply laminates using synchrotron radiation X-ray computed tomography. Composites Science and Technology 2024;258:110918. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110918
• Kosuke Takahashi, Takuma Matsuo, Wataru Sato, Takashi Nakamura. Decreasing propagation rate of interfacial debonding between a single carbon fiber and epoxy matrix under cyclic loading. Composites Science and Technology 2024;258:110900. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110900
• Kosuke Takahashi, Ryosuke Shoya, Takuma Matsuo, Wataru Sato, Takashi Nakamura, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Kentaro Uesugi. X-ray nanoimaging of a transversely embedded carbon fiber in epoxy matrix under static and cyclic loads. Scientific Reports 2022;12(1):8843. https://doi.org/10.1038/s41598-022-12724-1
• 勝谷亮介, 松尾拓磨, 髙橋航圭, 藤村奈央, 中村孝. 放射光X線ナノCTを用いたその場引張・疲労試験による炭素繊維–エポキシ樹脂の界面はく離検出. 日本複合材料学会誌 2021;47(5):186–193. https://doi.org/10.6089/jscm.47.186

粘着はく離現象のメカニズムに基づいた強度予測手法の確立

粘着剤は、電子デバイスの部品接合、シーリング、医療用テープなどに広く使われています。信頼性の高い製品を開発するには、粘着剤のはく離強度を適切に予測することが重要です。しかし、はく離時には粘着剤内部で不安定な破壊や大きな変形が生じるため、強度の予測は容易ではありません。本研究室では、粘着テープの力学特性に基づく汎用的なはく離強度評価手法の確立を目指しています。これまでに、測定条件に依存しない評価手法の検討や、粘着剤の微細構造が変形挙動に及ぼす影響の解明を通じて、強度予測に必要な要因を明らかにしてきました。現在は、はく離現象を特徴づける粘着剤の力学特性を適切に評価し、それらを組み込んだ強度予測モデルの構築を進めています。

接着剤と両面テープの複合接着層による接着強度の強化

接着接合は、異種材料を軽量に接合できる手法として、特に航空宇宙分野で重要な役割を担っています。一般に、部材を重ね合わせて接着剤で固定しますが、接着領域の端部に生じる応力集中が損傷の起点となります。また、接着剤層を薄くすると強度の向上が期待できる一方、厚さの制御が難しくなります。本研究室では、端部の応力集中を緩和しながら接着層の厚さを容易に制御する方法として、接着剤と両面テープの併用に着目しました。これまでに、静的強度と疲労寿命の向上を確認するとともに、厚さ30 µmの薄い接着層も容易に制御できることを示しました。現在は、複合材料の接着接合へこの技術を応用しています。

付着性試験を応用した食品の「べたつき」定量評価

高齢化に伴い、飲み込みにくさを抱える人が増えています。本研究室では、これまで粘着剤の研究で培ってきた柔らかい材料の評価技術を応用し、食品の飲み込みやすさを定量的に評価する方法を検討しました。とろみを付けた食品がのどから離れる過程を、粘着テープのはく離になぞらえて測定し、嚥下動作を力学的に捉える研究を進めています。食品の付着性やはがれやすさを数値化することで、嚥下食を調整する際に、経験に加えて活用できる客観的な指標の確立を目指しています。

これまでの研究成果

• Ashwani Kumar Devisharan, Xuan Ngoc Chau Ho, Kounosuke Shimamura, Kosuke Takahashi. Enhancement of strength and durability in single-lap joints using thin double-sided tape. International Journal of Solids and Structures 2026;338:114082. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2026.114082
• Kosuke Takahashi, Masako Yamada, Tatsuya Sasaki, Takashi Nakamura. Viscous dissipative energy density as a general adhesion characteristic of adhesive tape. Soft Matter 2025;21(30):6078–6087. https://doi.org/10.1039/d5sm00347d
• Kosuke Takahashi, Ryo Yoshida, Kohei Ohie, Satomi Kumagai, Yuji Tasaka. Adhesion testing of dysphagia diets for the quantitative evaluation of swallowing. Food Hydrocolloids 2026;171:111816. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111816
• Kosuke Takahashi, Zhantong Sun, Takuma Kikuzawa, Kounosuke Shimamura, Sourabh Jagrat, Nao Fujimura, Takashi Nakamura. Toughened single-lap joints by composite bondline of adhesive and double-sided tape. Advanced Composite Materials 2024;33(4):640–656. https://doi.org/10.1080/09243046.2023.2284057
• Masako Yamada, Kosuke Takahashi, Nao Fujimura, Takashi Nakamura. Generalized characteristics of peel tests independent of peel angle and tape thickness. Engineering Fracture Mechanics 2022;271:108653. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2022.108653
• Kosuke Takahashi, Futoshi Yanai, Kazuaki Inaba, Kikuo Kishimoto, Yuichi Kozone, Toshio Sugizaki. Sticking Effect of a Tackifier on the Fibrillation of Acrylic Pressure-Sensitive Adhesives. Langmuir 2021;37(39):11457–11464. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c01381
• Kosuke Takahashi, Ryuto Oda, Kazuaki Inaba, Kikuo Kishimoto. Scaling effect on the detachment of pressure-sensitive adhesives through fibrillation characterized by a probe-tack test. Soft Matter 2020;16(28):6493–6500. https://doi.org/10.1039/d0sm00680g

超高サイクル疲労における真空圧力の影響

材料表面を起点とする一般的な疲労損傷と、材料内部から進行する超高サイクル疲労の違いを明らかにするため、本研究室では、き裂周囲の真空圧力に着目しています。表面き裂は大気に触れるため、き裂面が酸化します。一方、内部き裂は周囲を材料に囲まれており、真空に近い環境にあると考えられます。真空圧力を変えながら表面き裂の進展挙動を調べることで、超高サイクル疲労の損傷メカニズムの解明に取り組んでいます。

Scanning Cyclic Press法による表層組織の微細化

一般的な疲労損傷は材料表面を起点とするため、表面の力学特性を改善することが、材料の耐久性向上につながります。本研究室では、新しい表面改質技術として、高精度に制御した低い圧縮荷重を材料表面に繰り返し負荷するScanning Cyclic Press（SCP）法を開発しています。この手法により、材料表層にアモルファス層やナノ微細化層を形成できます。金属材料の疲労特性や耐食性を向上させる技術への展開を目指しています。

これまでの研究成果

• Yuta Funaki, Kosuke Takahashi, Tatsuki Wajima, Takashi Nakamura. Mechanism of room-temperature nitriding in pure titanium by the scanning cyclic press. Materialia 2026;46:102720. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2026.102720
• 舩木優大, 藤村奈央, 中村孝, 髙橋航圭, 和島達希. 窒素環境におけるScanning Cyclic Pressを用いた純チタンの常温窒化. 日本金属学会誌 2023;87(11):305–308. https://doi.org/10.2320/jinstmet.j2023015
• Gaoge Xue, Takashi Nakamura, Nao Fujimura, Kosuke Takahashi, Hiroyuki Oguma, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Kentaro Uesugi. Full-life growth behavior of a naturally initiated internal fatigue crack in beta titanium alloy via in situ synchrotron radiation multiscale tomography. International Journal of Fatigue 2023;170:107571. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2023.107571
• Takashi Nakamura, Gaoge Xue, Yuma Kon, Nao Fujimura, Takuya Yamazaki, Nobuyuki Tonozaki, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Kentaro Uesugi. Experimental Approach for Clarifying Initiation and Growth Behaviors of Internal Fatigue Cracks Using Synchrotron Radiation Multiscale X-ray Computed Tomography. Materials Performance and Characterization 2023;12(2):107–128. https://doi.org/10.1520/mpc20230023
• Gaoge Xue, Yuta Tomoda, Takashi Nakamura, Nao Fujimura, Kosuke Takahashi, Fumiyoshi Yoshinaka, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Kentaro Uesugi. Detection of small internal fatigue cracks in Ti-6Al-4V via synchrotron radiation nanocomputed tomography. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 2022;45(9):2693–2702. https://doi.org/10.1111/ffe.13765
• Gaoge Xue, Takashi Nakamura, Nao Fujimura, Kosuke Takahashi, Hiroyuki Oguma, Akihisa Takeuchi, Masayuki Uesugi, Kentaro Uesugi. Initiation and propagation of small fatigue crack in beta titanium alloy observed through synchrotron radiation multiscale computed tomography. Engineering Fracture Mechanics 2022;263:108308. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2022.108308
• 森下弘法, 中村孝, 藤村奈央, 髙橋航圭. 微小内部き裂の発生・進展挙動に基づくα+β型チタン合金の疲労寿命分布解析. 材料 2022;71(12):997–1004. https://doi.org/10.2472/jsms.71.997
• Gaoge Xue, Takashi Nakamura, Nao Fujimura, Kosuke Takahashi, Hiroyuki Oguma. Initiation and Propagation Processes of Internal Fatigue Cracks in β Titanium Alloy Based on Fractographic Analysis. Applied Sciences 2021;11(1):131. https://doi.org/10.3390/app11010131
• Fumiyoshi Yoshinaka, Gaoge Xue, Nao Fujimura, Takashi Nakamura. Effect of vacuum pressure on small crack propagation in Ti-6Al-4V. International Journal of Fatigue 2021;142:105961. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105961
• Gaoge Xue, Nao Fujimura, Takashi Nakamura, Hiroyuki Oguma, Kosuke Takahashi. Initiation and propagation process of the internal fatigue crack in Ti-22V-4Al alloy based on fractographic analysis. The Proceedings of the Materials and Mechanics Conference 2019;2019:OS0908. https://doi.org/10.1299/jsmemm.2019.os0908

三次元ひずみ分布解析によるセメント内部破壊の検出

コンクリートの損傷の起点は、材料内部の気泡や、セメントと骨材の界面に形成される遷移帯から生じる微小き裂と言われています。しかし、高密度なコンクリート材料の内部で生じる損傷過程を観察することは容易ではありませんでした。本研究室では、大型放射光施設SPring-8におけるその場観察実験が可能な独自試験機を開発することで、材料内部の非破壊観察を成功させました。さらに、ひずみ量を可視化できるデジタル体積相関法やノイズ除去などの画像処理を組み合わせ、目視では捉えられないき裂の進展を内部構造と関係づけています。

鋼繊維強化コンクリートの損傷メカニズムに基づいた鋼繊維形状の検討

SFRCの鋼繊維形状は、これまで実験によって試行錯誤的に検討されてきました。一方、飛躍的な強度向上には、コンクリート材料の損傷メカニズムに基づいて繊維形状を検討することが求められています。本研究室では鋼繊維とセメント界面の付着性や機械的引っ掛かり効果、母材の損傷を定量的に評価するために、放射光X線CTを用いた材料内部のその場観察を行い、界面付近でのき裂の発生や界面はく離を可視化しました。得られた画像を三次元ひずみ解析や数値解析と組み合わせることで、メカニズムに基づいた鋼繊維形状の検討を行っています。

これまでの研究成果

• 長尾莉希, 高橋航圭, 大山航汰, 辻埜真人. セメントの空隙率空間分布が骨材混入による割裂引張強度の変化に及ぼす影響. 日本複合材料学会誌 2024;50(5):163–170. https://doi.org/10.6089/jscm.50.163