JP2018155673A - 繊維複合材料の引張弾性率の算出方法、算出プログラム、算出装置及び算出システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 繊維複合材料の引張弾性率を高精度にかつ簡便に算出することができる方法が求められていた。【解決手段】 円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、第2の手順で取得された第2のプロファイルに基づき、第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、第3の手順で取得された積層パラメータと、第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4とを有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出方法。【選択図】 図1
Description
本発明は、繊維複合材料の引張弾性率の算出方法、算出プログラム、算出装置及び算出システムに関する。
炭素繊維などの強化繊維と樹脂を複合化させた繊維複合材料は、軽量かつ物性に優れる材料として自動車や航空機などの様々な分野において用途展開が進んでいる。繊維複合材料の内部の繊維の配向状態は、機械特性に大きな影響を与える。したがって、繊維複合材料を更に高性能化するためには、繊維の配向状態のコントロールが重要である。
一方、繊維複合材料の成型方法によっては、繊維の配向状態を十分にコントロールできない場合がある。例えば、射出成型で作製した平板の場合、板の表面と内部で繊維の向きが異なる。また、プレス成型では、繊維は流動方向に配向するが、成型条件(温度、圧力、時間)によってこの配向状態は変化する。
したがって、射出成型やプレス成型でリブなどの複雑な3次元形状を有する部材を成型する際、繊維の配向がコントロールできない場合がある。このため、複雑な3次元形状の部分では繊維の配向の乱れによって機械特性が変動してしまうことから、構造部材の設計が困難となる。もちろん、3次元形状物から一部を切り出して機械特性を評価してもよいが、機械特性が測定できるだけの大きさを確保するのは一般的に難しい。
したがって、射出成型やプレス成型でリブなどの複雑な3次元形状を有する部材を成型する際、繊維の配向がコントロールできない場合がある。このため、複雑な3次元形状の部分では繊維の配向の乱れによって機械特性が変動してしまうことから、構造部材の設計が困難となる。もちろん、3次元形状物から一部を切り出して機械特性を評価してもよいが、機械特性が測定できるだけの大きさを確保するのは一般的に難しい。
一方、機械特性の評価が困難であっても、繊維の配向状態から機械特性の算出が可能となれば、成型条件の最適化のスピードアップが達成され、高性能な繊維複合材料の開発につながる。繊維複合材料の繊維の配向状態から引張弾性率を算出する手法としては、繊維配向度算出手段によって算出された複数種の繊維複合材料の繊維配向度と、機械特性測定装置によって測定された前記複数種の繊維複合材料の引張弾性率とに基づき、繊維配向度と引張弾性率との関係を示す近似式を算出して、機械特性が未知のサンプルであっても繊維配向度を測定することで前記近似式から機械特性を予測する方法がある(特許文献1)。
しかしながら、特許文献1に記載の方法によれば、たとえば直交積層材と疑似等方材の繊維配向度はともにゼロとなるが、直交積層材の引張弾性率は理論上も実験上も疑似等方材に比べて高いので、特許文献1に記載の方法では同じ配向度を持っている材料であっても引張弾性率が異なる場合があり、配向度だけでは必ずしも引張弾性率を予測することはできない。
また、特許文献1に記載の方法では近似線を作製するために、複数の材料を作製して機械特性を取得する必要があり、近似線を作製するための作業負荷が大きい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、繊維複合材料の引張弾性率を高精度にかつ簡便に算出することができる繊維複合材料の引張弾性率の算出方法、繊維複合材料の引張弾性率の算出プログラム、繊維複合材料の引張弾性率の算出装置及び引張弾性率の算出システムを提供することを課題とする。
また、特許文献1に記載の方法では近似線を作製するために、複数の材料を作製して機械特性を取得する必要があり、近似線を作製するための作業負荷が大きい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、繊維複合材料の引張弾性率を高精度にかつ簡便に算出することができる繊維複合材料の引張弾性率の算出方法、繊維複合材料の引張弾性率の算出プログラム、繊維複合材料の引張弾性率の算出装置及び引張弾性率の算出システムを提供することを課題とする。
本発明は以下の態様を有する。
[1] 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4と、
を有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出方法。
[2] 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4と、
を制御部に実行させる、繊維複合材料の引張弾性率の算出プログラム。
[3] 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4と、
を有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出装置。
[4] 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4と、
を有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出システム。
[1] 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4と、
を有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出方法。
[2] 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4と、
を制御部に実行させる、繊維複合材料の引張弾性率の算出プログラム。
[3] 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4と、
を有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出装置。
[4] 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4と、
を有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出システム。
本発明によれば、繊維複合材料の引張弾性率を高精度にかつ簡便に算出することができる。
以下、本実施形態の繊維複合材料の引張弾性率の算出方法、繊維複合材料の引張弾性率の算出プログラム、繊維複合材料の引張弾性率の算出装置及び算出システムを、図面を参照して説明する。
図1は、繊維複合材料の引張弾性率の算出装置の内部の処理を示すブロック図である。繊維複合材料の引張弾性率の算出装置は、X線回折装置及び機械特性評価装置からのデータを受け取れるようになっている。X線回折装置は、繊維複合材料にX線を照射して、繊維内部の結晶に起因したX線の回折強度を測定する装置である。また、機械特性評価装置は、繊維複合材料の機械特性を測定する装置である。機械特性には、一方向材の0度方向の引張弾性率、一方向材の90度方向の引張弾性率、一方向材のポアソン比、一方向材の剪断弾性率がある。
本実施形態における繊維複合材料は、強化繊維とマトリクス樹脂から構成される。強化繊維は、一般的に結晶を有し、繊維軸方向に結晶が配向している。強化繊維としては、機械特性に優れる繊維を用いることが好ましい。
本実施形態では、強化繊維の一例として炭素繊維が用いられるが、機械特性に優れる強化繊維であれば他の強化繊維が用いられてもよい。炭素繊維は、ピッチ、レーヨン又はポリアクリロニトリルなどの、いずれの原料物質から得られたものであってもよく、高強度タイプである低弾性率炭素繊維、中高弾性炭素繊維又は超高弾性炭素繊維のいずれでもよい。繊維の配向評価は繊維の長さに影響されないため、連続繊維や短繊維が用いられても構わない。したがって、短繊維ペレットを射出成型して得られた成型品が用いられてもよい。
マトリクスは、樹脂系であれば熱硬化系樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれであっても構わない。熱可塑性樹脂としては、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66等)、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン等)、ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等)、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ABS、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステルやアクリロニトリルとスチレンの共重合体等を用いることができる。また、これらの混合物でもよい。さらに、熱可塑性樹脂としては、ナイロン6とナイロン66の共重合ナイロンのように、共重合したものであってもよい。
次に、測定対象である繊維複合材料の1次元配向プロファイルの取得方法について説明する。前述したように、強化繊維には一般的に結晶が存在する。本実施形態で用いられる炭素繊維には、黒鉛結晶が存在する。この黒鉛結晶のc軸は、平均的には繊維軸に垂直方向に向いている。つまり、炭素網面は繊維軸方向に配向している。したがって、X線回折装置が、強化繊維が1方向に引き揃えられた炭素繊維束にX線を照射すると、回折像(デバイ環)が現れる。
図2は、繊維複合材料にX線を照射することによって現れる回折像を示す図である。X線回折装置は、繊維複合材料にX線を照射する。そして、X線回折装置は、現れた回折像(デバイ環)に沿った光の回折強度(輝度)を、X線検出器を用いて検出する。これによって、繊維複合材料の1次元配向プロファイルが得られる。
ここで、炭素繊維の繊維方向Aに直交する軸をy軸とし、繊維方向Aに平行な軸をz軸とする。また、y軸とz軸の交点をデバイ環の中心点Oとし、y軸から中心点O周りの角度をφとする。炭素繊維が図2のA方向に引き揃えられている場合、φ=0°となる位置P1と、φ=180°となる位置P2において回折強度(輝度)がピークとなる。
ここで、炭素繊維の繊維方向Aに直交する軸をy軸とし、繊維方向Aに平行な軸をz軸とする。また、y軸とz軸の交点をデバイ環の中心点Oとし、y軸から中心点O周りの角度をφとする。炭素繊維が図2のA方向に引き揃えられている場合、φ=0°となる位置P1と、φ=180°となる位置P2において回折強度(輝度)がピークとなる。
図3は、1方向(A方向)に引き揃えられた炭素繊維束の1次元配向プロファイルを示す図である。図3の縦軸は回折強度I(φ)を示し、横軸は角度φを示す。図3に示されるように、A方向に引き揃えられた炭素繊維束の1次元配向プロファイルは、φ=0°とφ=180°の位置にピークがある。
強化繊維の配向状態が未知の材料の1次元配向プロファイルは、図3のプロファイルの重ね合わせで表現される。例えば、強化繊維がA方向に引き揃えられた繊維複合材料と、強化繊維がAに直交する方向に引き揃えられた繊維複合材料とを重ねた、いわゆる直交積層体の場合、図4に示されるように90°毎に回折強度のピークが現れる。
また、繊維複合材料の繊維方向を45°ずつずらして積層された、いわゆる疑似等方材料の場合、図5に示されるように45°毎にピークが現れる。粉砕した炭素繊維、つまり完全等方材料の場合、図6に示されるように、1次元配向プロファイルはφ=0°〜360°にわたって一定の値となる。
回折強度を検出するための手法としては、1次元検出と2次元検出がある。1次元検出の場合は、繊維複合材料の試料を回転する必要がある。短時間で検出するために、高輝度放射光を用いてもよい。2次元検出の場合は、試料を回転させる必要は無い。自動車のドアパネルやボンネット、トランクなどの大きな成型品のように、試料を回転させることが難しい場合は2次元検出器を使えばよい。
X線回折装置から繊維複合材料に照射されるX線は、繊維複合材料の試料の厚みに応じて吸収される。実験により、試料の厚みは0.01mm以上、50mm以下が好ましいことが分かった。試料の厚みが0.01mmより小さい場合、回折強度のピークを判断できるのに十分な回折像が得られないため、配向の評価が困難である。また、厚みが50mmより大きい場合、X線は試料で吸収されるため、回折像が得られず配向の評価が困難である。
X線回折装置は、検出した繊維複合材料の1次元配向プロファイルを,積層パラメータ算出部へと送信される。積層パラメータ算出部では、積層パラメータである積層数(N)とn番目の積層の繊維の存在比(Wn)、および繊維の方向(θn)を算出する。以下に具体例を示しながら手順を説明する。
まず繊維複合材料の1次元プロファイルとして、次の2つを準備する。1つ目は評価対象である任意の繊維複合材料Aであり、2つ目は1方向に繊維を引き揃えた繊維複合材料Bである。ここで前述したように、強化繊維の配向状態が未知の材料の1次元配向プロファイルは、図3のプロファイルの重ね合わせで表現されるので、すなわち任意の繊維複合材料Aの1次元配向プロファイルは繊維複合材料Bの1次元配向プロファイルの重ね合わせで表現できる。
たとえば、直交積層材の1次元配向プロファイル(図4)は図3の重ね合わせで示すと図7のようになる。実線が直交積層材の1次元プロファイルである。破線は図3のピークの基本形(正規分布の場合は標準偏差)を固定して、ピークの数、高さや位置を実線に合致するように調整したものである。この調整には波形分離ソフトを用いれば良い。図7からも分かるように、直交積層材は4層で構成され、90°おきに繊維が存在していて、その量も均等であることが分かる。
ここで実際の直交積層材には対称積層であれば4層や8層、16層と様々な層数が考えられるが、本発明の積層数とは0°以上で360°未満のピークの数と定義する。「0°以上で360°未満」としたのは、直交積層の場合は0°と360°は同じピークなので、360°のピークは数にカウントしないためである。
前記の例は直交積層材であったが、次に任意の繊維複合材料Aの例を図8に示す。実線が繊維複合材料Aの1次元プロファイルである。破線は1方向に繊維を引き揃えた繊維複合材料Bの1次元配向プロファイルのピークの基本形(正規分布の場合は標準偏差)を固定して、ピークの数、高さや位置を実線に合致するように調整したものである。ここで積層数(N)はピークの数から求まる。n番目の積層の繊維の存在比Wnピークの高さhnから式(1)を用いて求まる。
n番目の積層のピークの位置からはその積層の繊維の方向(θn)が求まる。繊維複合材料Aの積層パラメータの1つである積層数はN=10であり、その他は表1のように表すことができる。
前記のようにして得られた積層パラメータは図1のように繊維複合材料Aの機械特性算出部に送られる。また同様に繊維複合材料Bの機械特性評価部から得られた値も繊維複合材料Aの機械特性算出部に送られる。
ここで、繊維複合材料Bの機械特性評価部で得る値は、1方向に繊維を引き揃えた繊維複合材料BのE1、E2、ν12、G12である。ここでE1は繊維複合材料Bの0度方向の引張弾性率、E2は繊維複合材料Bの90度方向の引張弾性率、ν12は繊維複合材料Bのポアソン比、G12は繊維複合材料Bの剪断弾性率である。これらはJIS等によって容易に求まる値である。
ここで、繊維複合材料Bの機械特性評価部で得る値は、1方向に繊維を引き揃えた繊維複合材料BのE1、E2、ν12、G12である。ここでE1は繊維複合材料Bの0度方向の引張弾性率、E2は繊維複合材料Bの90度方向の引張弾性率、ν12は繊維複合材料Bのポアソン比、G12は繊維複合材料Bの剪断弾性率である。これらはJIS等によって容易に求まる値である。
以上のように、積層パラメータ算出部から任意の繊維複合材料AのN、Wn、θnが機械特性算出部に送られ、機械特性評価装置から1方向に繊維を引き揃えた繊維複合材料BのE1、E2、ν12、G12が繊維複合材料Aの機械特性算出部に送られる。
繊維複合材料Aの機械特性算出部では次の計算を行う。すなわち、引張方向zに対する引張弾性率をEz(の上付き線)すると、Ez(の上付き線)は次のように表される。
ここでQij(の上付き線)はそれぞれ次のように表される。
ここで、NとWn、θnは積層パラメータ算出部から送らてくる値である。さらにQij(θn)はc=cosθnとs=sinθnを用いて次のように表さられる。
ここでQijは次のように表される。
E1、E2、ν12、G12は繊維複合材料Bの機械特性算出部から送られてくる値である。
ここで、NとWn、θnは積層パラメータ算出部から送らてくる値である。さらにQij(θn)はc=cosθnとs=sinθnを用いて次のように表さられる。
E1、E2、ν12、G12は繊維複合材料Bの機械特性算出部から送られてくる値である。
繊維複合材料Aの機械特性算出部は、算出された繊維複合材料Aの引張弾性率を表示部へと送信する。作業者は、表示部に表示された引張弾性率を確認することで、任意の繊維複合材料Aの引張弾性率を実際に測定することなく把握することができる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、いずれの実施例にも共通して必要となる、1方向に繊維を引き揃えた繊維複合材料BのE1、E2、ν12、G12を求める。
まず、いずれの実施例にも共通して必要となる、1方向に繊維を引き揃えた繊維複合材料BのE1、E2、ν12、G12を求める。
本実施例では、炭素繊維(三菱レイヨン株式会社製、製品名:TR50S15L、12000本、密度1.82g/cm2)を1方向平面状に目付けが72.0g/m2になるように配列させた炭素繊維シートが用いられる。この炭素繊維シートの両面に、目付け45.6g/m2の樹脂フィルム(ナイロン6、宇部興産株式会社製、製品名:UBE1013B)を積層させることにより、積層体が作製される。
この積層体を200℃〜280℃に加熱したカレンダーロールに複数回通し、樹脂フィルムを炭素繊維シートに溶融含浸させることにより、プリプレグが作製される。作製されたプリプレグの厚みは120μm、目付けは145.0g/m2、繊維堆積含有率(Vf)は48.0%であった。
次に、1方向材料10の作製について説明する。まず、プリプレグを縦295mm、横295mmにカットしたものを8枚用意する。この8枚のプリプレグが1方向(0°方向)になるように積層された後、超音波溶着機(日本エマソン社製、製品名:2000LPt)で部分的に溶接されることにより、積層体が作製される。
作製された積層体は、縦300mm、横300mmの印籠型の中央に配置され、加熱盤が250℃に予熱されたプレス機に投入され、0.30MPaの圧力で10分間加熱及び加圧される。その後、積層体は、30℃に予熱されたプレス機に投入され、1.0MPaの圧力で3分間冷却及び加圧される。これらの処理によって、厚さ1mmの1方向材料10が作製される。
1方向材料(0°方向)の試料T1は、図9に示されるように、1方向材料21の中央から長さ250mm、幅25mmのサイズとなるように切り出される。なお、試料T1の長辺方向は、最表層の繊維方向Aに平行である。
1方向材料(90°方向)の試料T2は、図9に示されるように、1方向材料10の中央から長さ250mm、幅25mmのサイズとなるように切り出される。なお、試料T2の長辺方向は、最表層の繊維方向Aに垂直である。なお、試料T1と試料T2は1枚の1方向材料10から切り出されるのではなく、別々の1方向材料10から切り出される。
以上のように切り出された試料T1およびT2の長辺方向の両端にタブが取り付けられ、機械特性評価装置は試料T1およびT2の引張弾性率を測定する。測定結果によれば、試料T1の引張弾性率(すなわちE1)は106.2GPa、試料T2の引張弾性率(すなわちE2)は6.5GPaであった。ν12とG12はサンプルによって大きく異なることは無いので、したがって引張弾性率に大きな影響を与えないので、一般的に知られている数値としてν12を0.3として、G12を2GPaとした。以上より、繊維複合材料BのE1、E2、ν12、G12が求まった。
次に、X線回折装置は、試料T1およびT2の1次元プロファイルを測定する。本実施例では、X線回折装置として、回転対陰極型X線発生装置(株式会社リガク社製、製品名:TTR−III)が用いられる。X線源はCuKα線(Niフィルター)であり、出力は50kW−300mA(=15W)である。検出器はNaIシンチレーションカウンターであり、2θ=25.4°である。アタッチメントとして繊維試料台が用いられる。走査範囲は0°〜360°、スキャンスピードは45°/min、サンプリング幅は0.36°である。ビーム径は3mmである。
得られた1次元プロファイルから積層パラメータを算出する。試料T1は0°材のためNは1、Wnは1、θnは0°であった。試料T2は90°材のため、Nは1、Wnは1、θnは90°であった。
得られた1次元プロファイルから積層パラメータを算出する。試料T1は0°材のためNは1、Wnは1、θnは0°であった。試料T2は90°材のため、Nは1、Wnは1、θnは90°であった。
(参考例)
得られた積層パラメータN、Wn、θnおよび機械特性評価装置から得られたE1、E2、ν12、G12をそれぞれ、前述の式の代入すると、試料T1(0°材)のX線回折法から求まる引張弾性率は106.2GPa(=E1)であり、試料T2(90°材)のX線回折法から求まる引張弾性率は6.5GPa(=E2)であった。これらの値は当然ではあるが、実測値と同じであった。
得られた積層パラメータN、Wn、θnおよび機械特性評価装置から得られたE1、E2、ν12、G12をそれぞれ、前述の式の代入すると、試料T1(0°材)のX線回折法から求まる引張弾性率は106.2GPa(=E1)であり、試料T2(90°材)のX線回折法から求まる引張弾性率は6.5GPa(=E2)であった。これらの値は当然ではあるが、実測値と同じであった。
(実施例1)
次に、疑似等方材料の作製について説明する。まず、1240mm×940mmにカットされたプリプレグを用意する。このプリプレグは、カッティングプロッタ(レザック社製、製品名:L−2500)によって、図10に示されるように一定間隔で切込11を入れられる。切込11は、プリプレグの端部から10mm以内の領域以外に存在する。
次に、疑似等方材料の作製について説明する。まず、1240mm×940mmにカットされたプリプレグを用意する。このプリプレグは、カッティングプロッタ(レザック社製、製品名:L−2500)によって、図10に示されるように一定間隔で切込11を入れられる。切込11は、プリプレグの端部から10mm以内の領域以外に存在する。
ここで、炭素繊維12の長さLfが25.0mm(一定)、平均切込長Lcが42.4mm、切込11と炭素繊維12のなす角度θが45°となるよう、プリプレグに切込加工が施される。切込加工が施されたプリプレグを、切込プリプレグと称する。なお、切込プリプレグにおける1m2あたりの切込長の総和Laは、56.6mである。
次に、切込プリプレグを16枚用意する。16枚の切込プリプレグは、繊維軸方向が[0°/45°/90°/−45°]のように45°ずつ向きを変えて積層される。その後、積層された16枚の切込プリプレグを超音波溶着機(日本エマソン社製、製品名:2000LPt)で部分的に溶接することにより、積層体が作製される。
作製された積層体は、縦1250mm、横950mmの印籠型の中央に配置され、加熱盤が250℃に予熱されたプレス機に投入され、0.30MPaの圧力で10分間加熱及び加圧される。その後、積層体は、130℃に予熱されたプレス機に投入され、1.0MPaの圧力で3分間冷却及び加圧される。これらの処理によって、疑似等方材料が作製される。
得られた疑似等方材料の一部を切り出して、前述の方法でX線回折測定を行い、1次元プロファイルを得た。得られた1次元プロファイルを積層パラメータ算出部に送って積層パラメータを算出した。すなわち、前記疑似等方材料の1次元プロファイルを再現するように複数の試料T1の1次元プロファイルを調整して、積層パラメータN、Wn,θnを得た。
得られた積層パラメータN、Wn,θnおよび前述で得られたE1、E2、ν12、G12をそれぞれ、前述に式の代入すると、試料T3(疑似等方材料)のX線回折法から求まる引張弾性率は38.2GPaであった。
ここで、確認の為に疑似等方材料の実際の引張弾性率を求める。疑似等方材料の試料T3は、長さ250mm、幅25mmのサイズとなるように切り出される。試料T3が切り出される位置は、どの位置でも構わない。なお、試料T3の長辺方向は、最表層の繊維方向Aに平行である。
以上のように切り出された試料T3の長辺方向の両端にタブが取り付けられ、引張弾性率の測定結果によれば、試料T3の引張弾性率は35.0GPaであった。
次に、プレス成型材料の作製について説明する。まず、縦290mm、横200mmにカットされた疑似等方材料を2枚用意する。この2枚の疑似等方材料を積層することで、積層体13が作製される。作製された積層体13は、380℃のIRヒーターで10分間予備加熱される。そして、図11に示されるように、積層体13は縦300mm、横300mmの印籠型14の中央に配置される。その後、積層体13は、加熱盤が170℃に予熱されたプレス機に投入され、10MPaの圧力で2分間加圧される。これらの処理によって、プレス成型材料が作製される。なお、プレスされることにより、積層体13は左に50mm、右に50mm流動する。これによって、縦300mm、横300mmのプレス成型材料が作製される。
プレス成型材料の試料T4は、図13に示されるように、プレス成型材料の中央から長さ250mm、幅25mmのサイズとなるように切り出される。なお、試料T4の長辺方向は、最表層の繊維方向Aに平行である。試料T4を、プレス成型のチャージ部と称する。
プレス成型材料の試料T5は、図13に示されるように、プレス前には積層体13が配置されていなかった領域のプレス成型材料から長さ250mm、幅25mmのサイズとなるように切り出される。なお、試料T5の長辺方向は、最表層の繊維方向Aに平行である。試料T5を、プレス成型の流動部と称する。
得られた試料T4およびT5の一部を切り出して、前述の方法でX線回折測定を行い、1次元プロファイルを得た。得られた1次元プロファイルを積層パラメータ算出部に送って積層パラメータを算出した。すなわち、前記T4(チャージ部)とT5(流動部)の1次元プロファイルを再現するように複数の試料T1の1次元プロファイルを調整して、積層パラメータN、Wn、θnを得た。
得られた試料T4と試料T5のそれぞれの積層パラメータN、Wn、θnおよび前述で得られたE1、E2、ν12、G12をそれぞれ、前述に式の代入すると、試料T4(チャージ部)のX線回折法から求まる引張弾性率は35.4GPaであった。また試料T5(流動部)のX線回折法から求まる引張弾性率は46.5GPaであった。
ここで、確認の為にプレス成型材料23の実際の引張弾性率を求める。前述の方法に従って試料を切り出し、切り出された試料T4および試料T5の長辺方向の両端にタブが取り付けられ、引張弾性率の測定結果によれば、試料T4の引張弾性率は29.9GPaであり、試料T5の引張弾性率は37.2GPaであった。
次に、直交積層材料の作製について説明する。まず、1240mm×940mmにカットされたプリプレグを用意する。このプリプレグは、カッティングプロッタ(レザック社製、製品名:L−2500)によって、図10に示されるように一定間隔で切込11を入れられる。切込11は、プリプレグの端部から10mm以内の領域以外に存在する。
ここで、炭素繊維12の長さLfが25.0mm(一定)、平均切込長Lcが42.4mm、切込11と炭素繊維12のなす角度θが45°となるよう、プリプレグに切込加工が施される。切込加工が施されたプリプレグを、切込プリプレグと称する。なお、切込プリプレグにおける1m2あたりの切込長の総和Laは、56.6mである。
次に、切込プリプレグを16枚用意する。16枚の切込プリプレグは、繊維軸方向が[(0°/90°)2]sとなるように積層される。その後、積層された16枚の切込プリプレグを超音波溶着機(日本エマソン社製、製品名:2000LPt)で部分的に溶接することにより、積層体が作製される。
作製された積層体は、縦1250mm、横950mmの印籠型の中央に配置され、加熱盤が250℃に予熱されたプレス機に投入され、0.30MPaの圧力で10分間加熱及び加圧される。その後、積層体は、130℃に予熱されたプレス機に投入され、1.0MPaの圧力で3分間冷却及び加圧される。これらの処理によって、直交積層材料24が作製される。
得られた直交積層材料の一部を切り出して、前述の記載の方法でX線回折測定を行い、1次元プロファイルを得た。得られた1次元プロファイルを積層パラメータ算出部に送って積層パラメータを算出した。すなわち、前記直交積層材料の1次元プロファイルを再現するように複数の試料T1の1次元プロファイルを調整して、積層パラメータN、Wn、θnを得た。
得られた積層パラメータN、Wn、θnおよび前述で得られたE1、E2、ν12、G12をそれぞれ、前述の式の代入すると、試料T4(直交積層材料)のX線回折法から求まる引張弾性率は56.6GPaであった。
ここで、確認の為に直交積層材料の実際の引張弾性率を求める。直交積層材の試料T6は、長さ250mm、幅25mmのサイズとなるように切り出される。試料T6が切り出される位置は、どの位置でも構わない。なお、試料T6の長辺方向は、最表層の繊維方向Aに平行である。
以上のように切り出された試料T6の長辺方向の両端にタブが取り付けられ、引張弾性率の測定結果によれば、試料T6の引張弾性率は50.0GPaであった。
次に本発明の妥当性を説明する。図14には本発明によって得られたX線回折法から求まる予測弾性率を横軸にとり、縦軸に確認のために求めた実測弾性率をプロットしたものである。本発明では1方向材料の0°方向材料(T1)と90°方向材料(T2)の引張弾性率は実測する必要があり、かつ予測の引張弾性率と一致するので、参考例として中抜きの丸で記載している。
特許文献1の方法では直交積層材と疑似等方材の繊維配向度はともにゼロであり、配向度だけでは必ずしも引張弾性率を予測することはできなかったが、図14によればX線回折法から求まる直交積層材の引張弾性率は疑似等方材料の引張弾性率よりも高く、さらに確認の為に行った実験値と近い値となった。つまり、配向度だけでは予測できなかった引張弾性率が予測できるようになった。
また、特許文献1に記載の方法では引張弾性率を予測するために近似線を作製する必要があり、複数の材料を作製して機械特性評価試験する作業負荷が大きかった。しかし、本発明によれば、機械特性評価試験は1方向材料の0°方向材料(T1)と90°方向材料(T2)の引張弾性率のデータのみが必要であり、複数の材料を作製して機械特性評価試験を行う必要は無く、作業負荷が大幅に低減することができた。
Claims (4)
- 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4とを有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出方法。 - 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4とを制御部に実行させる、繊維複合材料の引張弾性率の算出プログラム。 - 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4とを有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出装置。 - 強化繊維を含む第1の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第1のプロファイルを取得する第1の手順と、
1方向に引き揃えられた強化繊維を含む第2の繊維複合材料にX線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第2のプロファイルを取得する第2の手順と、
前記第2の手順で取得された前記第2のプロファイルに基づき、前記第1の繊維複合材料の積層パラメータを算出する第3の手順と、
前記第3の手順で取得された積層パラメータと、前記第2の1方向に引きそろえられた第2の繊維複合材料の物性から、前記第1の繊維複合材料の引張弾性率を算出する手順4とを有する、繊維複合材料の引張弾性率の算出システム。
Priority Applications (1)
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JP2017053892A JP2018155673A (ja) | 2017-03-21 | 2017-03-21 | 繊維複合材料の引張弾性率の算出方法、算出プログラム、算出装置及び算出システム |
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JP2017053892A Pending JP2018155673A (ja) | 2017-03-21 | 2017-03-21 | 繊維複合材料の引張弾性率の算出方法、算出プログラム、算出装置及び算出システム |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2020169852A (ja) * | 2019-04-02 | 2020-10-15 | 株式会社豊田自動織機 | 繊維配向分布測定方法及び繊維配向分布測定システム |
CN113822848A (zh) * | 2020-06-15 | 2021-12-21 | 丰田自动车株式会社 | 层叠状态计算方法、层叠状态计算装置和层叠状态计算程序 |
CN115290447A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-04 | 香港理工大学深圳研究院 | 一种超螺旋状复合纤维驱动器的模量分析测试方法 |
-
2017
- 2017-03-21 JP JP2017053892A patent/JP2018155673A/ja active Pending
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