JP2014126358A - ２軸引張試験方法およびそれに用いられる装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
軟らかい薄膜状試料の破壊挙動を評価し、観察することができる方法を提供する。
【解決手段】
中央部の厚みを周囲の厚みより薄くした軟らかい薄膜状試料に対して２軸引張力を加えつつ、前記中央部に加えられる負荷と変形量を変形測定センサーで計測するとともに、変形状態を画像撮影装置で撮影する。前記負荷と変形量より薄膜状試料の破壊強度等の力学的特性を測定する方法及びシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜状試料の引張試験方法およびそれに用いられる装置及びその装置における引張試験方法に関するものである。

２軸引張試験法は信頼性と再現性が高く、非特許文献１のように、バルク状試料の強度試験方法として確立されている。また、非特許文献２のように、金属薄板についても２軸引張試験装置が開発されている。一方、生体軟組織等、軟らかい薄膜状試料については２軸引張試験により強度を評価する方法は確立されていない。

その理由は、２軸引張試験法を軟らかい薄膜状試料（以下、「軟薄膜状試料」という）に適用した場合、軟薄膜状試料の把持の仕方や軟薄膜状試料に対する負荷のかけ方など、試験方法に固有の要因により、軟薄膜状試料本来の破壊挙動を観察したり、破壊時の力学的特性を正確に把握することができないためである。

従来の一般的な２軸引張試験法を薄膜状試料の強度評価に適用した例としては、特許文献２のように、四角形または十字形の薄膜状試料を試料担持具で担持し、直交する２軸方向に当該薄膜状試料を引っ張るというものがある。

また、特許文献１や非特許文献１のような２軸引張試験法では、円孔を有する板に薄膜状試料を接着し、中空や中実の円筒を当該薄膜状試料に押し込み、当該薄膜状試料に２軸引張力を負荷するというものである。

特開平９−２１０８８８号公報 特開２００７−１６３２５７号公報

JIS Z 2241 金属材料引張試験方法 東京農工大学、桑原利彦、金属薄板の２軸引張試験機の開発ならびに降伏条件式の定式化の研究（平成８年度研究開発助成 AF-96011） Hung, C.T., Williams, J.L., 1994. A method for inducing equi-biaxial and uniform strains in elastomeric membranes used as cell substrates. J Biomech 27 (2), 227-32

四角形または十字形の薄膜状試料を試料把持具で把持し、直交する２軸方向に引っ張る一般的な２軸引張試験法では、試料把持部に応力集中が生じ、その結果、試料担持部の近傍で薄膜状試料の破壊が生じることが多い。

また、特許文献１や非特許文献１のような２軸引張試験では、薄膜状試料の円筒管が接触する部位に応力集中が生じることが多い。

従って、上記従来法では２軸引張試験により薄膜状試料破壊時の挙動を正確に観察したり、破壊時の力学的特性を正確に得ることは困難であった。

更に、厚みが薄い生体軟組織等の軟薄膜状試料の破壊時の挙動を２軸引張試験にて評価しようとしても、試料が軟らかいため、２軸引張試験に適する形状に加工することが困難であった。

上記課題を解決するため、本発明では、軟薄膜状試料の２軸引張試験において、軟薄膜状試料の中央部のみの厚みを薄く加工することにより、この薄い範囲内に応力集中を引き起こさせることを第１の特徴とする。

また、軟薄膜状試料がその厚みが薄い生体軟組織等である２軸引張試験において、当該軟薄膜状試料の中央部の厚みのみを薄く加工するために、中央部に円孔を有する複数の平板で当該軟薄膜状試料を挟み、当該軟薄膜状試料をその厚み方向に対して垂直方向に圧縮し、圧縮に伴い円孔内の中央部の厚みが増えた状態で当該軟薄膜状試料を凍結させ、凍結した状態で当該軟薄膜状試料の中央部を厚み方向に薄切し、その後解凍することにより当該軟薄膜状試料の中央部の厚みのみを周囲の厚みよりも薄くし、厚みが薄い中央部の範囲内で破壊を生じさせることを第２の特徴とする。

本発明によれば、試料の厚みが薄い範囲内に応力集中を引き起こさせることにより、２軸引張試験による試料本来の破壊の観察を可能とし、破壊時の力学的特性を解析することができる。

本発明の第１実施形態における２軸引張試験装置の構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態における２軸引張試験装置の構成を示す斜視図である。 軟薄膜状試料の中央部の厚みのみを薄切りする方法を示す図である。 本発明の第１実施形態において、生体軟組織を用いて試料の厚み分布を計測した図である。 試料と円筒の接触部の断面拡大図であり、試料に加わる応力を説明するための図である。

（第１実施形態）
以下、図１〜図５に従って、本発明について詳細に説明する。

本発明の２軸引張試験装置は、図１及び図２に示すように、試験用の試料１と、試料１を保持する試料保持体２と、試料保持体２に対して垂直方向に相対的に移動する円筒３と、複数のカンチレバー４と、カンチレバー４を支持する支持体５と、カンチレバー４上に取り付けられた変形測定センサー６から構成される。これらの構成要素に加え、本発明の２軸引張試験装置は、図１に示すように、変形測定センサー６の出力信号を増幅する増幅装置７と、増幅装置７により増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換装置８と、試料１の破壊状況を撮影するための画像撮影装置９と、画像撮影装置９の信号と、ＡＤ変換装置８の信号を記録するとともにデータ処理する計算機１０から構成される。

薄膜状の高分子やゴム等の軟薄膜状試料について２軸引張試験を行う場合、通常は鋳造や切削等により試料の形状を加工し、中央部の厚みのみを薄くした試料を作成する必要がある。

薄い生体軟組織の試料等、鋳造や切削等により加工が困難な試料について２軸引張試験を行う場合も、中央部の厚みのみを薄くした試料を作成する必要がある。図３を用いて中央部の厚みのみを薄くした試料を作成する方法を説明する。

中央部に円孔がある２枚の平板で試料１を挟み、２枚の平板を締め付ける。その結果試料１の中央部が盛り上がる。その状態で凍結し、凍結した状態で試料１を２枚の平板から離すと試料１１が得られる。凍結した状態で試料１１を厚み方向に薄切りにすると試料１２が得られる。その後、試料１２を解凍すると、中央部の厚みが他の部分の厚みに比べて薄い試料１３が得られる。

図４は、前記の方法により中央部の厚みを薄くした生体軟組織の厚みを計測した例であるが、中央部の厚みが他の部分の厚みに比べて薄いことが確認できる。

試料保持体２は、試料１よりも十分に剛性が高く、その中央部に円孔を有し、前記円孔の中心は円筒３の中心軸線上に配置される。試料１は円孔の直径よりも十分大きく、２軸引張試験を行うに際し、例えば２枚の円孔付き平板に挟まれ、円孔部を塞ぐ形で固定される。

円筒３は、中実であり、その直径は前記円孔の直径よりも小さく、円筒３は前記円孔の中心部を通って試料保持体２に対して相対的に垂直方向に移動する。

カンチレバー４は、その一端が試料保持体２に対して固定されており、応力が加わると円筒３の軸方向に容易に撓む薄板状の部位を有する（以下、「変形部位」という）。カンチレバー４は、その他端が支持体５に対して固定されている。

計算機１０の出力信号により、支持体５は、円筒３の中心軸線方向に、円筒３に対して相対的に上下動する。従って、支持体５を円筒３の中心軸方向に相対的に移動させることにより、支持体５に固定されている試料保持体２を円筒３の中心軸方向に相対的に移動動させることができ、円筒３を試料１の厚み方向に対して垂直方向に相対的に押し込むことにより、試料１に２軸引張力を負荷することができる。

尚、支持体５の移動はステップモータ等により行われ、移動量と移動速度は計算機１０の出力信号によりコントロールされる。

試料１に負荷が加わると、その負荷は試料保持体２に伝わり、その結果、カンチレバー４の変形部位が撓む。

変形測定センサー６は、変形部位上に配置されており、変形部位が円筒３の軸方向に撓むと、即ち変形すると、前記変形に従って出力信号を出す。前記出力信号は増幅装置７に送られる。前記出力信号より、撓み量と試料１に加えられた負荷を計測することができ、前記撓み量と前記負荷から試料１の変形量と２軸引張力を計測することができる。

増幅装置７は、変形測定センサー６の出力信号を増幅する。増幅された信号は、ＡＤ変換装置８に送られる。

ＡＤ変換装置８は、増幅装置７からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。変換された信号は、計算機１０に送られる。

画像撮影装置９は、試料１に対し、円筒３とは逆側に、試料保持体２の円孔を介して試料１を観察できる位置に配置され、試料１に対して負荷が加わるにつれて試料１が変形する状態や、破壊する状態を撮影する。

画像撮影装置９の信号は計算機１０に記録され、画像処理され、力学的特性評価が行われる。

次に図５を用いて試料１に加わる応力の算出方法を説明する。変形測定センサー６で計測した力Fと図５中のA-O断面での応力σ_Aとの間には式（１）の関係があり、変形測定センサー６で計測した力は式（１）に従って２軸引張応力に変換される。

（１）
式（１）中で、r₁は円筒頭頂部の平面部分の直径であり、r₂は円筒頭頂部の曲率半径であり、t_Bは試料の厚みであり、θは円筒管外部の試料１が円筒３の軸方向と垂直な面となす角度である。試料１と円筒３との間の摩擦が無視できると仮定すると、図５中のB-O断面での応力σ_Bは図５中のA-O断面での応力σ_Aとほぼ等しいみなすことができ、式（２）が成立する。

（２）
さらに図５のC-O断面での応力σ_Cは、式（３）で表される。式（３）中、t_Cは試料１の中央部の薄い部分の厚みである。

（３）
式（１）〜（３）より式（４）が導かれる。

（４）
また、θと試料保持体２および支持体５の相対的な移動量であるhとの間には式（５）の関係がある。

（５）
従って、式（５）を解いて得られたθを式（４）に代入することにより、応力σ_Cを得ることができる。

一方、あらかじめ試料１の表面に変形マーカーを付与しておき、これを画像撮影装置９で撮影する。このマーカーより試料１の変形データを計算機１０で計算し、ひずみεを求める。応力σ_Cとひずみεより応力―ひずみ線図（σ_C―ε）を得ることにより、無負荷時から破断時までの２軸引張試験による薄膜状試料の力学特性を得ることができる。
（その他の実施形態）
第１実施形態では、高分子やゴム等を鋳造や切削等で形状を加工し、試料１の中央部の厚みのみを薄くした。しかし、試料１が、高分子やゴム等に比べてより軟らかい薄膜状試料である生体軟組織の場合には、中央部の厚みのみを薄く加工することは常温では困難である。

そこで、試料１の中央部の厚みのみを薄く加工するために、試料１を中央部に円孔を有する２つの試料保持体２で挟み、試料１を試料保持体２により試料１の厚み方向に圧縮する。圧縮されると、試料１は、その中央部のみが盛り上がる。この状態で試料１を凍結し、試料１の形状を保持した状態で、試料１の厚み方向に薄切し、その後試料１を解凍することにより、中央部の厚みが周囲の厚みより薄くなった試料１を得ることができる。

第１実施形態では、試料１の変形量をカンチレバー４上に配置された変形測定センサー６により計測しているが、試料１の変形量を円筒３に対する支持体５の押し込み量から計測しても良い。

第１実施形態では、試料１の変形量をカンチレバー４上に配置された変形測定センサー６により計測しているが、試料１の変形量を画像撮影装置９や、レーザー干渉計により、光学的に計測しても良い。

産業上の利用の可能性

本発明の方法は、軟薄膜状試料や皮膚や血管壁等の生体軟組織の強度評価に利用することができる。

１ 試料
２ 試料保持体
３ 円筒
４ カンチレバー
５ 支持体
６ 変形測定センサー
７ 増幅装置
８ ＡＤ変換装置
９ 画像撮影装置
１０ 計算機
１１ 中央部の厚みが他の部分より厚い試料１の断面図
１２ 凍結状態で薄切りした試料１の断面図
１３ 凍結状態で薄切りした試料１の解凍後の断面図

Claims (4)

1. 試料の２軸引張試験方法において、前記試料として、中央部の厚みを周囲よりも薄くした試料を用い、この試料の中央部に負荷を加えて前記試料の２軸引張試験を行うことを特徴とする２軸引張試験方法。
2. 前記試料の中央部に加えられた負荷を計測しつつ、前記試料の変形状態を測定し、それらに基づいて前記試料の力学特性を得ることを特徴とする請求項１に記載の２軸引張試験方法。
3. 中央部に円孔を有する複数の平板で薄膜状の試料を挟み、当該薄膜状の試料をその厚み方向に対して垂直に圧縮し、圧縮に伴い円孔内の中央部の厚みが増えた状態で当該薄膜状の試料を凍結させ、凍結した状態で前記厚み方向に薄切し、その後解凍することで、試料の中央部の厚みを周囲の厚みよりも薄くした前記試料を作成することを特徴とする請求項１または２に記載の２軸引張試験方法。
4. 薄膜状の試料の変形量を計測するため変形測定センサー、前記試料の形状を撮影するための画像撮影装置、前記試料の厚みに対して垂直方向に移動することにより前記試料に負荷を与える装置、前記変形測定センサーの信号と前記画像撮影装置の信号を記録するとともに、移動量と移動速度を制御する計算機から構成される、請求項３に記載の２軸引張試験方法を利用することを特徴とする引張試験装置。