JP5878963B2 - 供試体及び電流測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、導電性の繊維を含む複合材料中に流れる電流を測定するための供試体およびその電流測定方法に関する。
近年、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの複合材料の構造体への適用拡大が進んでいる。例えば、航空機の機体、自動車の骨格、風車のブレード等、幅広い分野において適用されている。一方、複合材料は炭素繊維等の導電性繊維を含むため、漏電や落雷などが生じた際、構造体の設計上意図しない電流径路となり得る。例えば、航空機では、雷撃によるスパーク発生に起因する燃料引火などの可能性があるため、雷撃時における機体中の電流分布を明らかにすることが重要である。
しかし、複合材料特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のような導電性の繊維を含む複合材料は、電気的に導体である炭素繊維と絶縁体である樹脂とで構成されているので繊維配列方向の影響を受け易い。そのため、複合材料は、金属材料に比べて電流経路が複雑となる。特に、繊維の方向が異なる複数の層を重ねた炭素繊維積層板における電流経路は複雑であり、複合材料中に流れる電流をより正確に測定する技術が必要となる。
従来、例えば複合材料を流れる電流の挙動や電流の大きさを測定する発明として、特許文献１や特許文献２に開示されているものがある。このうち、特許文献１に開示されている発明は、ファスナーを設けた複合材料に電流を流した際の局所放電を可視化できるようにしたものである。また、特許文献２に開示されている発明は、繊維の方向が異なる複数の層を重ねた炭素繊維積層板における電流を測定できるようにしたものである。
このうち、特許文献１に開示されている発明においては、局所放電を可視化することができる。また、特許文献２に開示されている発明の電流測定においては、複合材料における面内方向の電流分布を知ることができる。しかしながら、いずれの発明においても、積層型複合材料の面と交差する面外方向の電流を測定することができない。また、理論的にも積層型複合材料における面外方向の電流の伝搬メカニズムが解明されていない。
さらに、いずれの特許文献にもファスナーを設けた供試体における電流測定の例が開示されている。しかし、いずれの特許文献においても、供試体は１枚の積層型複合材料であり、２枚の積層型複合材料をファスナーで結合した状態の供試体での電流の伝搬メカニズムや好適な結合部の条件を解明するための電流測定の例は開示されていない。
さらに、いずれの特許文献にもファスナーを設けた供試体における電流測定の例が開示されている。しかし、いずれの特許文献においても、供試体は１枚の積層型複合材料であり、２枚の積層型複合材料をファスナーで結合した状態の供試体での電流の伝搬メカニズムや好適な結合部の条件を解明するための電流測定の例は開示されていない。
ところで、積層型複合材料（複合材）を適用した航空機構造では、雷撃による雷電流及び静電気による電荷を滞りなく流す対策が施されており、構造への電流印加による熱的破壊や、放電による燃料タンク内での着火を防いでいる。特に複合材同士の結合部では耐雷対策として、母材との接触抵抗を下げスムーズに電気を流すことができるファスナー（ボルト）が望ましいが、従来提供されているそのようなファスナーは特殊なファスナーであるため価格が高く、機体製造コストに影響を与えている。
一方、上記に比べ安価なファスナーも提供されているが、安価なファスナーをそのまま使用すると、ファスナーと複合材との接触抵抗が大きいため放電の危険性があり、別途放電対策が必要であった。接触抵抗が大きくなる理由としては、ボルト及び加工穴の径の大きさの違いや、ファスナーの形態の相違、加工条件の相違によるファスナーと加工穴の接触状態の違いによるものと考えられる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、積層型複合材料の各層に流れる電流を測定することができる供試体及びその電流測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、上記課題に鑑みてなされたもので、ファスナー部での放電を防止するのに効果的なファスナーの形態や大きさ、加工条件等を見い出すことができる供試体及びその電流測定方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記課題に鑑みてなされたもので、ファスナー部での放電を防止するのに効果的なファスナーの形態や大きさ、加工条件等を見い出すことができる供試体及びその電流測定方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本出願の第１の発明は、
導電性の繊維を含む複合材料シートを複数積層してなる供試体であって、
前記供試体の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられ、前記供試体の前記端部以外における前記複合材料シート間には前記離間用部材が設けられていないとともに、前記複合材料シートの離間側の端部にはそれぞれ導電性接触部が設けられていることを特徴とする供試体を提供する。
導電性の繊維を含む複合材料シートを複数積層してなる供試体であって、
前記供試体の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられ、前記供試体の前記端部以外における前記複合材料シート間には前記離間用部材が設けられていないとともに、前記複合材料シートの離間側の端部にはそれぞれ導電性接触部が設けられていることを特徴とする供試体を提供する。
上記した供試体を用いれば、積層型複合材料の各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができるため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。
ここで、望ましくは、前記離間用部材は絶縁性を有する離型フィルムとする。これによって、成型後に複合材料の各層の端部を分離させる際に、より確実に分離させることができる。
ここで、望ましくは、前記離間用部材は絶縁性を有する離型フィルムとする。これによって、成型後に複合材料の各層の端部を分離させる際に、より確実に分離させることができる。
また、望ましくは、前記供試体における前記複合材料シートが離間していない部分に、前記供試体に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を有するようにする。
さらに、望ましくは、前記共通導電線接続部は、前記供試体の表層の前記複合材料シート中の導電性の繊維が外部に露出された部分とする。
さらに、望ましくは、前記共通導電線接続部は、前記供試体の表層の前記複合材料シート中の導電性の繊維が外部に露出された部分とする。
また、望ましくは、前記供試体が前記複合材料シートの積層方向に貫通する貫通孔を有し、前記共通導電線接続部は前記貫通孔に挿入される導電部材とする。
また、前記共通導電線接続部は、前記供試体の端部のうち離間していない端部としてもよい。
また、前記共通導電線接続部は、前記供試体の端部のうち離間していない端部としてもよい。
本出願の第２の発明は、
前記供試体は、前記複合材料シートを複数積層してなる第１複合材と第２複合材とを有し、前記第１複合材と前記第２複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる供試体であって、
前記第２複合材に、前記離間用部材を設けるようにしたものである。
より具体的には、導電性の繊維を含む複合材料シートを複数積層してなる第１複合材プレートまたは、構造体と第２複合材プレートまたは、構造体を重ね合わせ、両プレートまたは、構造体を貫通するように設けられた導電体で結合してなる供試体において、
前記第１複合材プレートまたは、構造体の所定位置に、前記供試体に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を設け、前記第２複合材プレートまたは、構造体の結合側と反対側には、前記複合材料シート間に介在され前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材を設けるようにした。
前記供試体は、前記複合材料シートを複数積層してなる第１複合材と第２複合材とを有し、前記第１複合材と前記第２複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる供試体であって、
前記第２複合材に、前記離間用部材を設けるようにしたものである。
より具体的には、導電性の繊維を含む複合材料シートを複数積層してなる第１複合材プレートまたは、構造体と第２複合材プレートまたは、構造体を重ね合わせ、両プレートまたは、構造体を貫通するように設けられた導電体で結合してなる供試体において、
前記第１複合材プレートまたは、構造体の所定位置に、前記供試体に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を設け、前記第２複合材プレートまたは、構造体の結合側と反対側には、前記複合材料シート間に介在され前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材を設けるようにした。
上記した供試体を用いれば、第１複合材と記第２複合材を貫通する導電体（ファスナー）で結合された供試体を構成する複合材（プレートや構造体を含む）の各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができるため、結合用の導電体がファスナーの場合、ファスナーの形態や加工条件等を変えた複数の供試体についての電流測定結果から、ファスナー部で発生する放電を防止するのに効果的なファスナーの形態や大きさ（径）、加工条件等を見い出すことができるようになる。
ここで、望ましくは、前記第２複合材の複合材料シート離間側は、離間された前記複合材料シートにそれぞれ個別導電線が接続可能に構成する。
さらに、望ましくは、前記第１複合材に、前記供試体に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を形成する。
また、望ましくは、前記第１複合材には周縁部に沿って所定の間隔で複数の貫通孔が形成され、該複数の貫通孔に挿入された複数の導電部材によって前記第２複合材が接続可能もしくは複数の第２複合材が接続可能に構成しても良い。
さらに、望ましくは、前記導電部材は前記供試体を他の部材と締結するためのファスナーとする。
さらに、望ましくは、前記第１複合材に、前記供試体に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を形成する。
また、望ましくは、前記第１複合材には周縁部に沿って所定の間隔で複数の貫通孔が形成され、該複数の貫通孔に挿入された複数の導電部材によって前記第２複合材が接続可能もしくは複数の第２複合材が接続可能に構成しても良い。
さらに、望ましくは、前記導電部材は前記供試体を他の部材と締結するためのファスナーとする。
本出願のさらに他の発明は、上記の供試体中に流れる電流を測定する電流測定方法であって、
前記供試体に、測定電流を入力するための共通導電線を電気的に接続し、
前記離間部材により離間された各複合材料シート又は一部の複合材料シートに、測定電流を取り出すための個別導電線をそれぞれ電気的に接続し、
前記共通導電線と前記個別導電線との間に電流を流して、前記供試体中の前記複合材料シートに流れる電流を個別にまたは同時に測定するようにしたものである。
上記した電流測定方法によれば、積層型複合材料の各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができるため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。
前記供試体に、測定電流を入力するための共通導電線を電気的に接続し、
前記離間部材により離間された各複合材料シート又は一部の複合材料シートに、測定電流を取り出すための個別導電線をそれぞれ電気的に接続し、
前記共通導電線と前記個別導電線との間に電流を流して、前記供試体中の前記複合材料シートに流れる電流を個別にまたは同時に測定するようにしたものである。
上記した電流測定方法によれば、積層型複合材料の各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができるため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。
ここで、望ましくは、前記供試体の表層の前記複合材料シート中の導電性の繊維を外部に露出させ、当該露出部分に前記共通導電線を接続する。
また、望ましくは、前記供試体に前記複合材料シートの積層方向に貫通する貫通孔を形成し、前記貫通孔に挿入される導電部材に共通導電線を接続する。
さらに、望ましくは、前記導電部材は前記供試体を他の部材と締結するためのファスナーとする。
また、前記供試体の端部に共通導電線を接続するようにしてもよい。
また、望ましくは、前記供試体に前記複合材料シートの積層方向に貫通する貫通孔を形成し、前記貫通孔に挿入される導電部材に共通導電線を接続する。
さらに、望ましくは、前記導電部材は前記供試体を他の部材と締結するためのファスナーとする。
また、前記供試体の端部に共通導電線を接続するようにしてもよい。
本出願のさらに他の発明は、上記複合材料シートを複数積層してなる第１複合材と第２複合材とを有し、前記第１複合材と前記第２複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる供試体中に流れる電流を測定する電流測定方法であって、
前記第１複合材に、測定電流を入力するための共通導電線を電気的に接続し、
前記離間部材により離間された各複合材料シート又は一部の複合材料シートに、測定電流を取り出すための個別導電線をそれぞれ電気的に接続し、
前記共通導電線と前記個別導電線との間に電流を流して、前記第２複合材中の前記複合材料シートに流れる電流を個別にまたは同時に測定するようにしたものである。
前記第１複合材に、測定電流を入力するための共通導電線を電気的に接続し、
前記離間部材により離間された各複合材料シート又は一部の複合材料シートに、測定電流を取り出すための個別導電線をそれぞれ電気的に接続し、
前記共通導電線と前記個別導電線との間に電流を流して、前記第２複合材中の前記複合材料シートに流れる電流を個別にまたは同時に測定するようにしたものである。
上記した電流測定方法によれば、導電体（ファスナー）で結合された供試体を構成する複合材（プレートや構造体を含む）の各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができるため、結合用の導電体がファスナーの場合、ファスナーの形態や加工条件等を変えた複数の供試体についての電流測定結果から、ファスナー部で発生する放電を防止するのに効果的なファスナーの形態や大きさ（径）、加工条件等を見い出すことができるようになる。
ここで、望ましくは、前記個別導電線に流れる電流、又は前記個別導電線の所定範囲における電圧に基づいて前記複合材料シートに流れる電流を測定するようにしても良い。
ここで、望ましくは、前記個別導電線に流れる電流、又は前記個別導電線の所定範囲における電圧に基づいて前記複合材料シートに流れる電流を測定するようにしても良い。
本発明によれば、積層型複合材料の各層に流れる電流を測定することができる。それによって、面外方向を含めた電流の伝搬メカニズムを解明する手掛かりを得たり、効果的な耐雷対策や漏電対策を見い出すことが可能となる。
また、本発明によれば、ファスナーで結合された複数の積層型複合材料の各層に流れる電流を測定することができる。それによって、ファスナーで結合された複数の積層型複合材料の構造体における面外方向を含めた電流の伝搬メカニズムを解明する手掛かりを得たり、ファスナー部での放電を防止するのに効果的なファスナーの形態や大きさ、加工条件等を見い出すことが可能となる。
また、本発明によれば、ファスナーで結合された複数の積層型複合材料の各層に流れる電流を測定することができる。それによって、ファスナーで結合された複数の積層型複合材料の構造体における面外方向を含めた電流の伝搬メカニズムを解明する手掛かりを得たり、ファスナー部での放電を防止するのに効果的なファスナーの形態や大きさ、加工条件等を見い出すことが可能となる。
以下、本発明に係る積層型複合材料の供試体および電流測定方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電流測定方法の適用対象となる積層型複合材料およびその供試体（試験片）を示した図である。
測定対象の複合材料は樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックであり、本実施形態においては、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である。図１（Ａ）に示すように、供試体Ｍは短冊状をなしている。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電流測定方法の適用対象となる積層型複合材料およびその供試体（試験片）を示した図である。
測定対象の複合材料は樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックであり、本実施形態においては、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である。図１（Ａ）に示すように、供試体Ｍは短冊状をなしている。
また、供試体Ｍは、図１（Ｂ）に示すように、複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べたものに未硬化の樹脂を含浸させてなる複合材料シートとしてのプリプレグＰ１〜Ｐ８を８枚積層して成型した積層型複合材料である。プリプレグＰ１〜Ｐ８の各層の厚みは１ｍｍ以下（例えば０．２ｍｍ）である。また、プリプレグＰ１〜Ｐ８の各層における炭素繊維の方向は任意であり、航空機等に使用を検討している実際の複合材料の構造に対応したものが選択される。プリプレグの積層数についても実際の複合材料の構造に対応して任意に選択される。
さらに、本実施形態の供試体Ｍには、その端部から中央に向かってプリプレグの各層間に離間用部材が配置されている。例えば、図１（Ｂ）に示すように、長手方向の一方の端部（図では右端部）から中央に向かって、各層間に、所定の長さに亘って、両面に剥離容易化処理を施したフィルム（以下、離型フィルムと称する）Ｆ１〜Ｆ７を介在させてある。また、この実施例では、各離型フィルムＦ１〜Ｆ７を２つ折りにした状態で各層間に挿入してある。これは、離型フィルムが折り曲げられていない１枚であると、仮に剥離容易化処理にムラがあった場合に、フィルムがプリプレグの表面にくっついてしまって、隣り合う層のプリプレグを分離しにくくなるのを防止するためである。ただし、離型フィルムは、２つ折りにしたものに限定されるものでなく、折り曲げられていない１枚であっても良い。
離型フィルムの材料は、耐熱性がある絶縁性材料が望ましく、例えばポリミイド樹脂の一種であるカプトン（登録商標）が考えられる。離型フィルムの表面に施される剥離容易化処理は、例えば離型剤としてのフレコート（登録商標）を塗布することで行なわれる。塗布する離型剤は、フレコートに限定されるものではなく、耐熱性がある絶縁性材料であればよい。なお、離間用部材としては、離型フィルムに限定されることはなく、シリコーンゴムシート等の絶縁性材料や、金属シート等に表面に離型剤を塗布したものも使用できる。また、薄いシート状の部材に限定されることもなく、楔形状や板状の樹脂や金属製の治具で表面に離型剤を塗布したものであってもよい。
上記のように、各層間の一方の側に離型フィルム等の離間用部材を介在させて積層させたプリプレグＰ１〜Ｐ８を、加圧した状態で加熱することで樹脂を硬化させることによって、ＣＦＲＰ製供試体が製造される。そして、その後、各ＣＦＲＰ層の剥離側端部に測定電流を流すための導電線を接続することで供試体が完成する。この実施例では、供試体が完成した後、離型フィルムを剥がして試験に供するが、離型フィルムは介在させたままとしても良い。離間用部材として金属シートを用いる場合には供試体の完成後に取り除くことが好ましい。
離間用部材を取り除いた場合は、測定時に各層間の絶縁性を確保するため、絶縁性の部材を挿入しておくことが好ましい。
離間用部材を取り除いた場合は、測定時に各層間の絶縁性を確保するため、絶縁性の部材を挿入しておくことが好ましい。
なお、供試体の製造方法は、上述したように、複数枚のプリプレグを積層させて樹脂を硬化させる方法に限定されず、ＲＴＭ法などの他の方法で製造しても良い。例えばＲＴＭ法の一種であるＶａＲＴＭ法は、複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べてから、全体をバッグフィルムで覆い真空引きしたものに液状の樹脂を注入し、繊維に含浸させた後、オーブンで加熱して樹脂を硬化させる成型方法である。このＶａＲＴＭ法で上記構造の供試体を製造するには、複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べて一方の側に複数枚の離型フィルム等の離間用部材を所定の間隔で介在させた状態で、全体をバッグフィルムで覆い真空引きしたものに液状の樹脂を注入すれば良い。
また、供試体の製造方法は、ウェットレイアップ等の常温硬化による手法でもよい。この場合、離間用部材は耐熱性が要求されることがなくなるため、広く部材を選択することができる。
また、供試体の製造方法は、ウェットレイアップ等の常温硬化による手法でもよい。この場合、離間用部材は耐熱性が要求されることがなくなるため、広く部材を選択することができる。
図２には、上記供試体の各ＣＦＲＰ層（複合材料シート）への導電線の接続例が示されている。なお、導電線を接続する前に、各ＣＦＲＰ層Ｌｉの端部はヤスリ等を用いて樹脂を削り炭素繊維を露出させるサンディング処理を施しておく。また、サンディング処理した部位にさらにメッキを施すようにすると良い。また、メッキは２段メッキが望ましい。さらに、メッキを施す前に、硫酸等の処理液をかけて前処理を行なうのが良い。なお、炭素繊維を露出させるにはサンディング処理以外にも薬品を使用して樹脂を溶融、分解する等、他の手段であってもよい。
図２のうち、（Ａ）はＣＦＲＰ層Ｌｉの端部にクリップ型の電極（端子）Ｔｉを取り付け、該電極Ｔｉに導電線Ｗｉを半田付け等で接続したものである。また、図２（Ｂ）はＣＦＲＰ層Ｌｉの端部に、導電線Ｗｉの端部を接触させて導電性の銀ペーストＡを塗布して加熱、焼結させることで直接導電線を接続したものである。なお、図２（Ｂ）において、ハッチングが付されている部位がサンディング処理した部位である。
次に、上記積層型複合材料の供試体を用いた電流測定装置の構成および電流測定方法について説明する。
図３は、上記供試体Ｍを対象とする電流測定装置の概略を示す。図３に示すように、電流測定装置は、直流電源１１と、供試体の各ＣＦＲＰ層Ｌｉの端部に接続された導電線Ｗｉに流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２と、ロゴスキーコイル１２に接続されたオシロスコープ１４とを備える。なお、雷電流を模した電流波形（例えば航空機の雷波形の標準スペックSAE ARP 5412に準拠した波形）を供試体に印加して電流が流れる様子を調べたい場合には、雷波形の周波数帯域に対応したロゴスキーコイル１２をオシロスコープ１４に接続すると良い。
図３は、上記供試体Ｍを対象とする電流測定装置の概略を示す。図３に示すように、電流測定装置は、直流電源１１と、供試体の各ＣＦＲＰ層Ｌｉの端部に接続された導電線Ｗｉに流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２と、ロゴスキーコイル１２に接続されたオシロスコープ１４とを備える。なお、雷電流を模した電流波形（例えば航空機の雷波形の標準スペックSAE ARP 5412に準拠した波形）を供試体に印加して電流が流れる様子を調べたい場合には、雷波形の周波数帯域に対応したロゴスキーコイル１２をオシロスコープ１４に接続すると良い。
図３のうち、（Ａ）は供試体Ｍの各ＣＦＲＰ層Ｌｉに流れる電流を一層ずつ測定するもので、ロゴスキーコイル１２を配置する導電線を変えながら、順次電流を測定して行くこととなる。また、図３（Ｂ）は、供試体Ｍの全ＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８に流れる電流を同時に測定できるようにしたもので、導電線Ｗ１〜Ｗ８にそれぞれロゴスキーコイル１２を配置する。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）と図３（Ｂ）において一点鎖線Ｃで囲まれている部分を拡大して示すもので、互いに分離されているＣＦＲＰ層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３……の端部にそれぞれ導電線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３……が接続される。
なお、ロゴスキーコイルは、大電流を測定可能な環状のコイルであり、測定箇所を囲むように配置されることで、当該コイルの両端に誘起される電圧に基づいて電流を測定可能となっている。電流検出用素子は、ロゴスキーコイルに限定されず、他の電流センサでもよいし、導電線Ｗ１〜Ｗ８と直列に抵抗素子を接続し、その両端子間に生じる電圧を測定して電流を算出してもよい。
なお、ロゴスキーコイルは、大電流を測定可能な環状のコイルであり、測定箇所を囲むように配置されることで、当該コイルの両端に誘起される電圧に基づいて電流を測定可能となっている。電流検出用素子は、ロゴスキーコイルに限定されず、他の電流センサでもよいし、導電線Ｗ１〜Ｗ８と直列に抵抗素子を接続し、その両端子間に生じる電圧を測定して電流を算出してもよい。
図３（Ａ）のように、一層ずつ電流を測定する場合には、直流電源１１により毎回同一の電圧（例えば５Ｖ）を印加して電流値を測定する。一方、図３（Ｂ）のように各層Ｌ１〜Ｌ８に流れる電流を同時に測定する場合には、印加電圧を変化させることが可能な直流電源１１ｖを使用して、対象の供試体Ｍが変わっても全体に流れる電流値が同一となるように、印加電圧を調整して測定すると良い。
いずれの測定方法においても、供試体Ｍの導電線接続側と反対側の端部の表面に電極を形成し、共通導電線Ｗｃを接続する。共通導電線Ｗｃの接続方法は、例えば供試体Ｍの表面の一部をサンディング処理して、該処理部に導電線Ｗｉの端部を接触させて導電性の銀ペーストを塗布して加熱、焼結させる方法が考えられる。サンディング処理後にメッキを施すようにしても良い。
図３（Ｂ）の測定方法においては、供試体Ｍ全体に流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２ｔと電流計１３ｔを設け、該電流計１３ｔによって測定した電流が所定値となるように、可変直流電源１１ｖの電圧を制御するように構成すると良い。
図３（Ｂ）の測定方法においては、供試体Ｍ全体に流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２ｔと電流計１３ｔを設け、該電流計１３ｔによって測定した電流が所定値となるように、可変直流電源１１ｖの電圧を制御するように構成すると良い。
次に、上記電流測定装置を用いて前述した積層型複合材料からなる供試体の電流測定結果について説明する。
図４（Ａ）および（Ｂ）は、本発明者らが行なった測定試験に用いた供試体の構造を示すもので、図４（Ａ）は、炭素繊維の配列方向が同一である８層のＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８を積層した供試体Ａ、図４（Ｂ）は、炭素繊維の配列方向が一部異なる８層のＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８を積層した供試体Ｂである。図において、「０°」が付されている層は炭素繊維の配列方向が供試体の長手方向すなわち電流を流したい方向と一致している層、「９０°」が付されている層は炭素繊維の配列方向が供試体の長手方向と直交する方向すなわち幅方向と一致している層である。
図４（Ａ）および（Ｂ）は、本発明者らが行なった測定試験に用いた供試体の構造を示すもので、図４（Ａ）は、炭素繊維の配列方向が同一である８層のＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８を積層した供試体Ａ、図４（Ｂ）は、炭素繊維の配列方向が一部異なる８層のＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８を積層した供試体Ｂである。図において、「０°」が付されている層は炭素繊維の配列方向が供試体の長手方向すなわち電流を流したい方向と一致している層、「９０°」が付されている層は炭素繊維の配列方向が供試体の長手方向と直交する方向すなわち幅方向と一致している層である。
つまり、供試体Ａは、Ｌ１〜Ｌ８すべての層の炭素繊維の配列方向が電流を流したい方向と一致している。一方、供試体Ｂは、Ｌ１，Ｌ３，Ｌ６，Ｌ８の層の炭素繊維の配列方向が電流の方向であり、Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ７の層の炭素繊維の配列方向が電流方向と直交する方向である。なお、図４（Ｂ）において、Ｌ１とＬ２との境界，Ｌ３とＬ４との境界，Ｌ５とＬ６との境界，Ｌ７とＬ８との境界を破線で示しているのは、供試体Ｂを作成するのに用いたプリプレグが、繊維配列方向が０°と９０°のシートを積層した状態のものであり、これを４枚重ねて成型することで、供試体Ｂを作成したためである。
なお、Ｌ１〜Ｌ８の各ＣＦＲＰ層には、図５に示すように、表面と裏面にそれぞれ高強靭化層Ｓ１，Ｓ２を形成したものとした。
なお、Ｌ１〜Ｌ８の各ＣＦＲＰ層には、図５に示すように、表面と裏面にそれぞれ高強靭化層Ｓ１，Ｓ２を形成したものとした。
図６および図７に、上記のような構造を有する供試体Ａと供試体Ｂに対して、図３（Ｂ）の測定装置により行なった電流測定結果を示す。測定結果は、所定時間一定の電流を流して平均値をとった値とした。
このうち、図６（Ａ）は供試体Ａに関する測定結果、図６（Ｂ）は供試体Ｂに関する測定結果である。なお、横軸に各層の番号をとり、縦軸には電流比をとって、最大電流が測定された層の電流値を１として、各層の電流の相対的な大きさ（規格化電流）を示した。供試体Ａと供試体Ｂとも、トータルの電流は２Ａとした。このときの印加電圧は、およそ３．８Ｖであった。
このうち、図６（Ａ）は供試体Ａに関する測定結果、図６（Ｂ）は供試体Ｂに関する測定結果である。なお、横軸に各層の番号をとり、縦軸には電流比をとって、最大電流が測定された層の電流値を１として、各層の電流の相対的な大きさ（規格化電流）を示した。供試体Ａと供試体Ｂとも、トータルの電流は２Ａとした。このときの印加電圧は、およそ３．８Ｖであった。
また、供試体Ａに関しては各層単位であるが、供試体Ｂに関しては、１層目と２層目の合計電流、３層目と４層目の合計電流、５層目と６層目の合計電流、７層目と８層目の合計電流を示した。これは、供試体Ｂを作成するのに用いたプリプレグが、繊維配列方向が０°と９０°のシートを積層した状態のものであり、これを４枚重ねて成型することで、供試体Ｂを作成したためである。なお、このような供試体の場合、図２（Ａ）のクリップを使用して導電線を接続するか、分離後の各積層体（４枚）の表裏に図２（Ｂ）の方法で導電線の端部を接続するのが良い。
なお、○印（メッシュを付したバー）はＰ１層側の表面に共通導電線Ｗｃを接続して電流を流した時の測定値を、また、△印（ハッチングを付したバー）はＰ８層側の表面（供試体の裏面）に共通導電線Ｗｃを接続して電流を流した時の測定値を示す。また、各印に付記されている百分率表記は、供試体全体に流れる電流に占める各層に流れる電流の割合を示す値である。
図６より、図５のような表裏に高強靭化層を有するＣＦＲＰを積層した複合材料であっても、内部の層にも電流が流れることが分かる。また、図６（Ａ）の測定結果と図６（Ｂ）の測定結果を比較すると、供試体Ａと供試体Ｂとでは、明らかに各層に流れる電流の大きさすなわち電流分布が異なっていることが分かる。
図６より、図５のような表裏に高強靭化層を有するＣＦＲＰを積層した複合材料であっても、内部の層にも電流が流れることが分かる。また、図６（Ａ）の測定結果と図６（Ｂ）の測定結果を比較すると、供試体Ａと供試体Ｂとでは、明らかに各層に流れる電流の大きさすなわち電流分布が異なっていることが分かる。
図７（Ａ）には供試体Ｂに対して２Ａ（アンペア）の電流を流した時の測定結果（図６（Ｂ）と同じもの）、図７（Ｂ）は供試体Ｂに対して３Ａの電流を流した時の測定結果を示す。３Ａの電流を流した時の印加電圧は、およそ５．９Ｖであった。なお、横軸に各層の番号をとり、縦軸には電流値をとって示してある。また、図６（Ｂ）と同様に、１層目と２層目、３層目と４層目、５層目と６層目、７層目と８層目の合計電流を示した。
なお、メッシュを付したバーは１番目の層Ｐ１側の表面に共通導電線Ｗｃを接続して電流を流した時の測定値を、また、ハッチングを付したバーは８番目の層Ｐ８側の表面（供試体の裏面）に共通導電線Ｗｃを接続して電流を流した時の測定値を示す。
図７（Ａ）の測定結果と図７（Ｂ）の測定結果を比較すると、全体に流れる電流の大きさが変わったとしても各層間の電流分布には大きな差異はないことが分かる。
なお、メッシュを付したバーは１番目の層Ｐ１側の表面に共通導電線Ｗｃを接続して電流を流した時の測定値を、また、ハッチングを付したバーは８番目の層Ｐ８側の表面（供試体の裏面）に共通導電線Ｗｃを接続して電流を流した時の測定値を示す。
図７（Ａ）の測定結果と図７（Ｂ）の測定結果を比較すると、全体に流れる電流の大きさが変わったとしても各層間の電流分布には大きな差異はないことが分かる。
従来の電流測定方法では積層型複合材料の各層に流れる電流の比率（材料の厚さ方向の電流分布）までは知ることができなかったが、上記実施例の電流測定方法を使用すれば、各層に流れる電流の比率を知ることができる。
そのため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の雷撃時の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。
そのため、電流測定結果から、使用を予定している複合材料の雷撃時の厚さ方向の電流分布を推定することができるようになる。
また、例えば、航空機に関しては、材料の使用箇所によっては、表面近傍により多くの電流を流したいとか、表面近傍の層の電流密度を下げたいことがあるので、そのような場 合に、繊維の方向の異なる材料を使い分けることができるようになる。
また、強度等の観点から既に使用する複合材料を決定しているような場合に、その材料が表面近傍により多くの電流が流れる特性を有するものであることが分かれば、表面に金属板を接合して表面層の電流密度を下げるなどの対策をとることができる。
また、強度等の観点から既に使用する複合材料を決定しているような場合に、その材料が表面近傍により多くの電流が流れる特性を有するものであることが分かれば、表面に金属板を接合して表面層の電流密度を下げるなどの対策をとることができる。
なお、実際の航空機では複合材料同士を結合したりするのにファスナーと呼ばれる金属部品が使用されることがあり、そのような場合、雷撃時に、ファスナーの一部に電流集中が発生するので、ファスナーがある場合の電流分布を知りたいことがある。
そこで、例えば図８に示すように、全ＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８を貫通する導電部材としての電極Ｅを設け、該電極Ｅに電流を印加して各層に流れる電流を測定するようにしても良い。
そこで、例えば図８に示すように、全ＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８を貫通する導電部材としての電極Ｅを設け、該電極Ｅに電流を印加して各層に流れる電流を測定するようにしても良い。
図９に、図８に示す電極Ｅとしてボルトを貫通させて先端にナットを螺合させた構造の供試体Ａ（８層とも繊維配列方向が０°）に対して行なった電流測定結果を示す。
なお、横軸に各層の番号をとり、縦軸には各層の電流の相対的な大きさ（規格化電流）を示した。トータルの電流は３Ａとした。このときの印加電圧は、およそ３．３Ｖであった。
図９と図６（Ａ）の測定結果と比較すると、電極Ｅより電流を印加した場合の方が、Ｐ２層〜Ｐ８層に流れる電流が多くなっていることが分かる。また、Ｐ１層の表面側から電流を印加しているにもかかわらずＰ６層〜Ｐ８層に流れる電流が、Ｐ３層〜Ｐ５層はもちろんＰ１層〜Ｐ３層よりも多くなっていることが分かる。その原因としては、電極の端部（ボルトの頭部やナット）と供試体の表面との接触具合や、穿孔時のバリの発生具合、サンディング状態の差異等が考えられる。
なお、横軸に各層の番号をとり、縦軸には各層の電流の相対的な大きさ（規格化電流）を示した。トータルの電流は３Ａとした。このときの印加電圧は、およそ３．３Ｖであった。
図９と図６（Ａ）の測定結果と比較すると、電極Ｅより電流を印加した場合の方が、Ｐ２層〜Ｐ８層に流れる電流が多くなっていることが分かる。また、Ｐ１層の表面側から電流を印加しているにもかかわらずＰ６層〜Ｐ８層に流れる電流が、Ｐ３層〜Ｐ５層はもちろんＰ１層〜Ｐ３層よりも多くなっていることが分かる。その原因としては、電極の端部（ボルトの頭部やナット）と供試体の表面との接触具合や、穿孔時のバリの発生具合、サンディング状態の差異等が考えられる。
また、本発明者らは、図１０に示すように、供試体Ｍの層剥離側と反対側の端面に電極Ｅを付けて、該電極Ｅに電流を印加して各層に流れる電流を測定する実験を行なった。測定対象とした供試体は、８層とも繊維配列方向が０°の供試体Ａであり、トータルの電流は３Ａとした。このときの印加電圧は、およそ０．７Ｖであった。図１１は、図１０に示す電流測定方法における供試体への共通導電線の接続例を示す図である。図１２にその電流測定結果を示す。
図１２より、Ｐ１層〜Ｐ８層にほぼ均一に電流が流れることが分かる。これは、ほぼ予想された結果であり、電流測定装置に問題がないことが推測される。
なお、図１１において、破線Ｅ’で示されているのは、供試体Ｍの表面から電流を印加する場合の電極の例である。
図１２より、Ｐ１層〜Ｐ８層にほぼ均一に電流が流れることが分かる。これは、ほぼ予想された結果であり、電流測定装置に問題がないことが推測される。
なお、図１１において、破線Ｅ’で示されているのは、供試体Ｍの表面から電流を印加する場合の電極の例である。
以上、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば上記実施形態では、供試体Ｍとして繊維配列方向が全層同一のものと繊維配列方向が互いに９０°異なる層を積層させたものについて説明したが、供試体Ｍはこのようなものに限定されない。繊維配列方向が互い４５°異なる４種の層を積層させた供試体でも良い。また、積層数も８層に限定されるものではない。さらに、途中にファスナーを設けた供試体を作成して、ファスナーがある場合の各層に流れる電流の分布を測定するようにしても良い。この場合、ファスナーを、電流を印加する電極（導電部材）として利用するようにしても良い。
例えば上記実施形態では、供試体Ｍとして繊維配列方向が全層同一のものと繊維配列方向が互いに９０°異なる層を積層させたものについて説明したが、供試体Ｍはこのようなものに限定されない。繊維配列方向が互い４５°異なる４種の層を積層させた供試体でも良い。また、積層数も８層に限定されるものではない。さらに、途中にファスナーを設けた供試体を作成して、ファスナーがある場合の各層に流れる電流の分布を測定するようにしても良い。この場合、ファスナーを、電流を印加する電極（導電部材）として利用するようにしても良い。
また、本発明の上記各実施形態では、供試体Ｍへの共通導電線と個別導電線（Ｗ１〜Ｗ８）は共試体Ｍの対向する端部にそれぞれ接続したが、これに限定されることはない。例えば、共試体Ｍの中央部に共通導電線を接続する構成であってもよいし、複数の端部でＣＦＲＰ層を剥離させて、それぞれの端部に個別導電線を接続する構成であってもよい。
また、上記実施形態では、ＣＦＲＰ層の剥離のために離型フィルムを使用したが、これに限定されることなく共試体Ｍの成型後に治具で剥離する等でもよい。
また、上記実施形態では、ＣＦＲＰ層の剥離のために離型フィルムを使用したが、これに限定されることなく共試体Ｍの成型後に治具で剥離する等でもよい。
（第２実施例）
図１３は、第２実施形態に係る電流測定方法の適用対象となる積層型複合材料からなる供試体（試験片）およびその電流測定方法を示す。
図１３（Ａ）に示すように、本実施例の供試体Ｍは、２枚の複合材プレートＣ１，Ｃ２の端部同士を重ね合わせて金属製のファスナーＦにより結合したものである。複合材プレートＣ１の結合側と反対の端部（図１３では左側端部）の表面には電流印加部としての電極１０が形成されている。複合材プレートＣ２の結合側と反対の端部（図１３では右側端部）は、後に詳しく説明するように、所定の長さＡの範囲だけ各層間が分離されている。複合材プレートＣ１，Ｃ２を構成する複合材料は、樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックであり、本実施形態においては、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）であり、それぞれ短冊状をなしている。
図１３は、第２実施形態に係る電流測定方法の適用対象となる積層型複合材料からなる供試体（試験片）およびその電流測定方法を示す。
図１３（Ａ）に示すように、本実施例の供試体Ｍは、２枚の複合材プレートＣ１，Ｃ２の端部同士を重ね合わせて金属製のファスナーＦにより結合したものである。複合材プレートＣ１の結合側と反対の端部（図１３では左側端部）の表面には電流印加部としての電極１０が形成されている。複合材プレートＣ２の結合側と反対の端部（図１３では右側端部）は、後に詳しく説明するように、所定の長さＡの範囲だけ各層間が分離されている。複合材プレートＣ１，Ｃ２を構成する複合材料は、樹脂を導電性の繊維で強化した繊維強化プラスチックであり、本実施形態においては、炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）であり、それぞれ短冊状をなしている。
本実施例の供試体Ｍは、図１３（Ｂ）に示すように、複合材シートＣ１の端部表面の電極部１０に導電線Ｗｃを介して直流電源１１から正電圧を印加する。また、複合材シートＣ２の各層の端部と直流電源１１の負電極とを導電線Ｗｉ，Ｗｔによって接続して、導電線Ｗｉに流れる電流を電流検出素子１２によって検出し、検出された電流値をオシロスコープ１４によって表示するものである。直流電源１１と、電流検出素子１２と、オシロスコープ１４とによって電流測定装置が構成される。
電極部１０の形成の仕方としては、例えば複合材シートＣ１の表面の一部をサンディング処理して、該処理部に導電線Ｗｃの端部を接触させて導電性の銀ペーストを塗布して加熱、焼結させる方法が考えられる。サンディング処理後にメッキを施すようにしても良い。
電極部１０の形成の仕方としては、例えば複合材シートＣ１の表面の一部をサンディング処理して、該処理部に導電線Ｗｃの端部を接触させて導電性の銀ペーストを塗布して加熱、焼結させる方法が考えられる。サンディング処理後にメッキを施すようにしても良い。
供試体Ｍを構成する複合材プレートＣ１，Ｃ２は、それぞれ複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べたものに未硬化の樹脂を含浸させてなる複合材料シートとしてのプリプレグを複数枚積層して成型した積層型複合材料である。
本実施例では、図１４に示すように、８枚のプリプレグＰ１〜Ｐ８を積層して成型したものを複合材プレートＣ２としている。プリプレグＰ１〜Ｐ８の各層の厚みは１ｍｍ以下（例えば０．２ｍｍ）である。また、プリプレグＰ１〜Ｐ８の各層における炭素繊維の方向は任意であり、航空機等に使用を検討している実際の複合材料の構造に対応したものが選択される。プリプレグの積層数についても実際の複合材料の構造に対応して任意に選択される。複合材プレートＣ１とＣ２は厚みが異なっていても良い。
本実施例では、図１４に示すように、８枚のプリプレグＰ１〜Ｐ８を積層して成型したものを複合材プレートＣ２としている。プリプレグＰ１〜Ｐ８の各層の厚みは１ｍｍ以下（例えば０．２ｍｍ）である。また、プリプレグＰ１〜Ｐ８の各層における炭素繊維の方向は任意であり、航空機等に使用を検討している実際の複合材料の構造に対応したものが選択される。プリプレグの積層数についても実際の複合材料の構造に対応して任意に選択される。複合材プレートＣ１とＣ２は厚みが異なっていても良い。
さらに、本実施形態の供試体Ｍの複合材プレートＣ２は、ファスナーＦによる結合側と反対の端部から中央に向かってプリプレグの各層間に離間用部材が配置されている。具体的には、図１４に示すように、長手方向の一方の端部（図では右端部）から中央に向かって、各層間に、所定の長さに亘って、両面に離型処理を施したフィルム（以下、離型フィルムと称する）Ｆ１〜Ｆ７を介在させてある。また、この実施例では、各離型フィルムＦ１〜Ｆ７を２つ折りにした状態で各層間に挿入してある。これは、離型フィルムが折り曲げられていない１枚であると、仮に剥離容易化処理にムラがあった場合に、フィルムがプリプレグの表面にくっついてしまって、隣り合う層のプリプレグを分離しにくくなるのを防止するためである。ただし、離型フィルムは、２つ折りにしたものに限定されるものでなく、折り曲げられていない１枚であっても良い。なお、複合材プレートＣ１に対しては各層に対する離型処理はされない。
離型フィルムの材料は、耐熱性がある絶縁性材料が望ましく、例えばポリミイド樹脂の一種であるカプトン（登録商標）が考えられる。離型フィルムの表面に施される剥離容易化処理は、例えば離型剤としてのフレコート（登録商標）を塗布することで行なわれる。塗布する離型剤は、フレコートに限定されるものではなく、耐熱性がある絶縁性材料であればよい。なお、離間用部材としては、離型フィルムに限定されることはなく、シリコーンゴムシート等の絶縁性材料や、金属シート等に表面に離型剤を塗布したものも使用できる。また、薄いシート状の部材に限定されることもなく、楔形状や板状の樹脂や金属製の治具で表面に離型剤を塗布したものであってもよい。
上記のように、各層間の一方の端部に離型フィルム等の離間用部材を介在させて積層させたプリプレグＰ１〜Ｐ８を、加圧した状態で加熱することで樹脂を硬化させることによって、供試体Ｍを構成するＣＦＲＰ製の複合材プレートＣ２が製造される。そして、その後、各ＣＦＲＰ層の剥離側端部に測定電流を流すための導電線を接続し、結合側の端部にドリル加工等によって貫通孔を形成し、ファスナーＦによって複合材プレートＣ１とＣ２とを結合することで供試体Ｍが完成する。この実施例では、供試体が完成した後、離型フィルムを剥がして試験に供するが、離型フィルムは介在させたままとしても良い。離間用部材として金属シートを用いる場合には供試体の完成後に取り除くことが好ましい。
離間用部材を取り除いた場合は、測定時に各層間の絶縁性を確保するため、絶縁性の部材を挿入しておくことが好ましい。
離間用部材を取り除いた場合は、測定時に各層間の絶縁性を確保するため、絶縁性の部材を挿入しておくことが好ましい。
なお、供試体の製造方法は、上述したように、複数枚のプリプレグを積層させて樹脂を硬化させる方法に限定されず、ＲＴＭ法などの他の方法で製造しても良い。例えばＲＴＭ法の一種であるＶａＲＴＭ法は、複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べてから、全体をバッグフィルムで覆い真空引きしたものに液状の樹脂を注入し、繊維に含浸させた後、オーブンで加熱して樹脂を硬化させる成型方法である。このＶａＲＴＭ法で上記構造の供試体を製造するには、複数の炭素繊維束を所定の方向に沿って並べて一方の側に複数枚の離型フィルム等の離間用部材を所定の間隔で介在させた状態で、全体をバッグフィルムで覆い真空引きしたものに液状の樹脂を注入すれば良い。
また、供試体の製造方法は、ウェットレイアップ等の常温硬化による手法でもよい。この場合、離間用部材は耐熱性が要求されることがなくなるため、広く部材を選択することができる。
また、供試体の製造方法は、ウェットレイアップ等の常温硬化による手法でもよい。この場合、離間用部材は耐熱性が要求されることがなくなるため、広く部材を選択することができる。
図１５には、上記複合材プレートＣ２の各ＣＦＲＰ層（複合材料シート）への導電線Ｗｉの接続例が示されている。なお、導電線を接続する前に、各ＣＦＲＰ層Ｌｉの端部はヤスリ等を用いて樹脂を削り炭素繊維を露出させるサンディング処理を施しておく。また、サンディング処理した部位にさらにメッキを施すようにすると良い。また、メッキは２段メッキが望ましい。さらに、メッキを施す前に、硫酸等の処理液をかけて前処理を行なうのが良い。なお、炭素繊維を露出させるにはサンディング処理以外にも薬品を使用して樹脂を溶融、分解する等、他の手段であってもよい。
図１５のうち、（Ａ）はＣＦＲＰ層Ｌｉの端部にクリップ型の電極（端子）Ｔｉを取り付け、該電極Ｔｉに導電線Ｗｉを半田付け等で接続したものである。また、図１５（Ｂ）はＣＦＲＰ層Ｌｉの端部に、導電線Ｗｉの端部を接触させて導電性の銀ペーストＡを塗布して加熱、焼結させることで直接導電線を接続したものである。なお、図１５（Ｂ）において、ハッチングが付されている部位がサンディング処理した部位である。
次に、上記積層型複合材料の供試体を用いた電流測定方法について説明する。
図１６は、上記供試体Ｍを対象とする電流測定装置と電流測定方法の概略を示す。図１６に示すように、電流測定装置は、直流電源１１と、供試体の各ＣＦＲＰ層Ｌｉの端部に接続された導電線Ｗｉに流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２と、ロゴスキーコイル１２に接続されたオシロスコープ１４とを備える。なお、雷電流を模した電流波形（例えば航空機の雷波形の標準スペックSAE ARP 5412に準拠した波形）を供試体に印加して電流が流れる様子を調べたい場合には、雷波形の周波数帯域に対応したロゴスキーコイル１２をオシロスコープ１４に接続すると良い。
図１６は、上記供試体Ｍを対象とする電流測定装置と電流測定方法の概略を示す。図１６に示すように、電流測定装置は、直流電源１１と、供試体の各ＣＦＲＰ層Ｌｉの端部に接続された導電線Ｗｉに流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２と、ロゴスキーコイル１２に接続されたオシロスコープ１４とを備える。なお、雷電流を模した電流波形（例えば航空機の雷波形の標準スペックSAE ARP 5412に準拠した波形）を供試体に印加して電流が流れる様子を調べたい場合には、雷波形の周波数帯域に対応したロゴスキーコイル１２をオシロスコープ１４に接続すると良い。
図１６のうち、（Ａ）は供試体Ｍの各ＣＦＲＰ層Ｌｉに流れる電流を一層ずつ測定するもので、ロゴスキーコイル１２を配置する導電線を変えながら、順次電流を測定して行くこととなる。また、図１６（Ｂ）は、供試体Ｍの全ＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８に流れる電流を同時に測定できるようにしたもので、導電線Ｗ１〜Ｗ８にそれぞれロゴスキーコイル１２を配置する。図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）と図１６（Ｂ）において一点鎖線Ｂで囲まれている部分を拡大して示すもので、互いに分離されているＣＦＲＰ層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３……の端部にそれぞれ導電線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３……が接続される。
なお、ロゴスキーコイルは、大電流を測定可能な環状のコイルであり、測定箇所を囲むように配置されることで、当該コイルの両端に誘起される電圧に基づいて電流を測定可能となっている。電流検出用素子は、ロゴスキーコイルに限定されず、他の電流センサでもよいし、導電線Ｗ１〜Ｗ８と直列に抵抗素子を接続し、その両端子間に生じる電圧を測定して電流を算出してもよい。
なお、ロゴスキーコイルは、大電流を測定可能な環状のコイルであり、測定箇所を囲むように配置されることで、当該コイルの両端に誘起される電圧に基づいて電流を測定可能となっている。電流検出用素子は、ロゴスキーコイルに限定されず、他の電流センサでもよいし、導電線Ｗ１〜Ｗ８と直列に抵抗素子を接続し、その両端子間に生じる電圧を測定して電流を算出してもよい。
図１６（Ａ）のように、一層ずつ電流を測定する場合には、直流電源１１により毎回同一の電圧（例えば５Ｖ）を印加して電流値を測定する。一方、図１６（Ｂ）のように各層Ｌ１〜Ｌ８に流れる電流を同時に測定する場合には、印加電圧を変化させることが可能な直流電源１１ｖを使用して、対象の供試体Ｍが変わっても全体に流れる電流値が同一となるように、印加電圧を調整して測定すると良い。
また、図１６（Ａ）のように一層ずつ電流を測定する場合にも、図１６（Ｂ）のように供試体Ｍ全体に流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２ｔと電流計１３ｔを設けるとともに、印加電圧を変化させることが可能な直流電源１１ｖを使用する。そして、電流計１３ｔによって測定した電流が所定値となるように、可変直流電源１１ｖの電圧を制御するように構成しても良い。
また、図１６（Ａ）のように一層ずつ電流を測定する場合にも、図１６（Ｂ）のように供試体Ｍ全体に流れる電流を検出するためのロゴスキーコイル１２ｔと電流計１３ｔを設けるとともに、印加電圧を変化させることが可能な直流電源１１ｖを使用する。そして、電流計１３ｔによって測定した電流が所定値となるように、可変直流電源１１ｖの電圧を制御するように構成しても良い。
本発明者らは、上記のように構成した電流測定装置を用いて前述した積層型複合材料からなる供試体の電流を測定する試験を行なった。以下、その試験結果について説明する。
図１７は測定試験に用いた供試体の構造を、図１８は２枚の複合材プレートＣ１，Ｃ２を結合するのに使用したボルトの具体例を示す。図１７に示す供試体を構成する２枚の複合材プレートＣ１，Ｃ２の長さは３９０ｍｍと２５０ｍｍ、幅は共に５０ｍｍである。厚みは、Ｃ１が９ｍｍで、Ｃ２が２ｍｍである。複合材プレートＣ１とＣ２の重なり部の長さは５０ｍｍで、端から２５ｍｍの位置に中心が来るようにファスナー用の貫通孔を形成し、該貫通孔から５０ｍｍと２００ｍｍ離れた位置にそれぞれ電極部１０を形成した。ファスナーＦには、ボルトの径が５ｍｍのものを使用した。
図１７は測定試験に用いた供試体の構造を、図１８は２枚の複合材プレートＣ１，Ｃ２を結合するのに使用したボルトの具体例を示す。図１７に示す供試体を構成する２枚の複合材プレートＣ１，Ｃ２の長さは３９０ｍｍと２５０ｍｍ、幅は共に５０ｍｍである。厚みは、Ｃ１が９ｍｍで、Ｃ２が２ｍｍである。複合材プレートＣ１とＣ２の重なり部の長さは５０ｍｍで、端から２５ｍｍの位置に中心が来るようにファスナー用の貫通孔を形成し、該貫通孔から５０ｍｍと２００ｍｍ離れた位置にそれぞれ電極部１０を形成した。ファスナーＦには、ボルトの径が５ｍｍのものを使用した。
図１７に示すように、測定試験に用いた供試体Ｍにおいて複合材プレートＣ１の厚みの方がＣ２の厚みよりも大きくなっているのは、ファスナーＦとして市販されている所定長さのボルトを使用したためである。すなわち、市販されているファスナーにはボルトの長さがそれほど短いものがない一方、ボルトの長さに合わせて複合材プレートＣ２の積層数を増やすと供試体の制作に時間がかかるため、ボルトの長さに合わせて複合材プレートＣ１の板厚を調整した。具体的には、上述の実施例に従って作成した８層のＣＦＲＰ層からなる複合材プレートＣ２の厚みが２ｍｍで、入手したボルトの長さが１１ｍｍであったため、複合材プレートＣ１の厚みを９ｍｍとした。
使用したファスナーＦは、図１８（Ａ）に示すように、ボルト２１のストレート部の外径よりも僅かに小さな内径を有するスリーブ２２を備えたスリーブファスナーと呼ばれるものである。このスリーブファスナーは、複合材プレートＣ１，Ｃ２の貫通孔にスリーブ２２を嵌合させた後、該スリーブ２２にボルト２１を挿入し、スリーブの下部より突出したボルト先端の雄ねじ部に、雌ねじ部を有するナット２３を螺合させてねじ込む。すると、スリーブ２２を変形（径を拡張）させながらボルト２１がナット側へ移動する。これにより、図１８（Ｂ）に示すように、複合材に形成されている加工穴（貫通孔）の内周面との隙間が少なくなって接触性が良好な結合状態となる。
図１９（Ａ）は、本発明者らが行なった測定試験に用いた供試体を構成する複合材プレートＣ２の構造を示すもので、炭素繊維の配列方向が同一である８層のＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８が積層されている。そして、Ｌ１〜Ｌ８の各ＣＦＲＰ層には、図２０に示すように、表面と裏面にそれぞれ高強靭化層Ｓ１，Ｓ２を形成したものとした。なお、図１９（Ｂ）に示すように、炭素繊維の配列方向が一部異なる８層のＣＦＲＰ層Ｌ１〜Ｌ８を積層した複合材プレートに関しても上記電流測定装置による測定を行うようにしても良い。図１９において、「０°」が付されている層は炭素繊維の配列方向が供試体の長手方向すなわち電流を流したい方向と一致している層、「９０°」が付されている層は炭素繊維の配列方向が供試体の長手方向と直交する方向すなわち幅方向と一致している層である。
つまり、図１９（Ａ）では、Ｌ１〜Ｌ８すべての層の炭素繊維の配列方向が電流を流したい方向と一致している。一方、図１９（Ｂ）は、Ｌ１，Ｌ３，Ｌ６，Ｌ８の層の炭素繊維の配列方向が電流の方向であり、Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ７の層の炭素繊維の配列方向が電流方向と直交する方向である。なお、図１９（Ｂ）において、Ｌ１とＬ２との境界，Ｌ３とＬ４との境界，Ｌ５とＬ６との境界，Ｌ７とＬ８との境界を破線で示しているのは、複合材プレートを作成するのに用いるプリプレグが、繊維配列方向が０°と９０°のシートを積層した状態のものであることを想定しているためである。
図２１および図２２に、図１８のボルトをファスナーとして使用した図１７に示すような構造を有する供試体を３つ作成し、各供試体＃１，＃２，＃３に対して、図１６（Ｂ）の測定装置により行なった各層ごとの電流測定結果を示す。図２１および図２２のグラフは、横軸に各層の番号、縦軸に電流値をとって示してある。なお、測定結果は、所定時間一定の電流（トータルで２．４Ａ）を流して平均値をとった値とした。
このうち、図２１（Ａ）は供試体＃１，＃２，＃３のファスナーの位置から遠い側の電極にそれぞれ電圧を印加して測定したときの各層Ｌ１〜Ｌ８の電流値を現わしたグラフ、図２１（Ｂ）は各層それぞれの電流値の全体に対する比率を百分率（％）で現わしたグラフである。
図２１（Ａ），（Ｂ）より、各層Ｌ１〜Ｌ８にほぼ均一の電流が流れており、これより図１８のようなスリーブファスナーとして使用した場合、加工穴（貫通孔）の内周面とボルトとの接触性が良好であることが分かる。
このうち、図２１（Ａ）は供試体＃１，＃２，＃３のファスナーの位置から遠い側の電極にそれぞれ電圧を印加して測定したときの各層Ｌ１〜Ｌ８の電流値を現わしたグラフ、図２１（Ｂ）は各層それぞれの電流値の全体に対する比率を百分率（％）で現わしたグラフである。
図２１（Ａ），（Ｂ）より、各層Ｌ１〜Ｌ８にほぼ均一の電流が流れており、これより図１８のようなスリーブファスナーとして使用した場合、加工穴（貫通孔）の内周面とボルトとの接触性が良好であることが分かる。
また、図２２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、各供試体＃１，＃２，＃３に対して、ファスナーの位置から遠い側の電極と近い側の電極にそれぞれ電圧を印加して測定したときの各層Ｌ１〜Ｌ８の電流値およびその比率を現わしたグラフである。図２２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において、メッシュが付されているバーは、ファスナーの位置から近い側の電極に電圧を印加して測定したときの各層Ｌ１〜Ｌ８の電流値である。また、ハッチングが付されているバーは、ファスナーの位置から遠い側の電極に電圧を印加して測定したときの各層Ｌ１〜Ｌ８の電流値である。
図２２（Ａ）〜（Ｃ）より、ファスナーの位置から遠い側の電極に電圧を印加した場合と、ファスナーの位置から近い側の電極に電圧を印加した場合とで、層間でそれほど電流値や比率に差異がないことが分かる。
図２２（Ａ）〜（Ｃ）より、ファスナーの位置から遠い側の電極に電圧を印加した場合と、ファスナーの位置から近い側の電極に電圧を印加した場合とで、層間でそれほど電流値や比率に差異がないことが分かる。
一方、本発明者らは、前記実施例の供試体における複合材プレートＣ２と同様な複合材プレートを測定対象として、図２３に示すように、プレートの層離間側と反対側の端部に、スリーブを持たないボルト２１を貫通させて先端にナット２３を螺合させ、ボルト２１を電極として電圧を印加して電流を測定する試験を行なった。図２４にその電流測定結果を、横軸に各層の番号をとり、縦軸には各層の電流の相対的な大きさ（規格化電流）を示した。トータルの電流は３Ａとした。このときの印加電圧は、およそ３．３Ｖであった。図２１及び図２２の測定結果より、図２４の測定結果は図１７に示す供試体Ｍ（２枚の複合材プレートを結合したもの）において、ファスナーＦとしてスリーブを持たないボルトを使用した場合の電流測定結果とほぼ一致すると予想される。
そして、図２４と図２１（Ｂ）の測定結果と比較すると、ファスナーＦとしてスリーブを持たないボルトを使用した場合には、Ｐ６層〜Ｐ８層に流れる電流が、Ｐ３層〜Ｐ５層はもちろんＰ１層〜Ｐ３層よりも多くなっている。つまり、スリーブを持たないボルトを使用した場合は、スリーブを有するボルトを使用した場合よりも各層Ｐ１〜Ｐ８に流れる電流のばらつきが大きくなることが分かる。上記のように、Ｐ６層〜Ｐ８層に流れる電流が、Ｐ３層〜Ｐ５層はもちろんＰ１層〜Ｐ３層よりも多くなっている原因としては、電極の端部（ボルトの頭部やナット）と供試体の表面との接触具合や、穿孔時のバリの発生具合の差異等が考えられる。
上述した実施形態によれば、ファスナーで結合された供試体を構成する複合材プレートの各層に流れる電流を測定して比率等を知ることができる。そのため、ファスナーや加工条件を変えた複数の供試体についての電流測定を行い、その測定結果から、ファスナーで結合された複数の積層型複合材料の構造体における面外方向を含めた電流の伝搬メカニズムを解明する手掛かりを得ることができる。また、耐雷対策に効果的なファスナーの形態や径、加工条件、複合材料の積層構成等を見い出すことができるようになる。ここで、「加工条件」には、穿孔に使用するドリルなどの工具の種類や、回転速度、送り速度などのパラメータが含まれる。
（変形例）
図２５には、上記実施形態の供試体の変形例が示されている。
複合材料で航空機の機体を構成する場合、複数枚の複合材料を所定の間隔（例えば４０〜５０ｍｍ）をおいて設けた複数の貫通孔にそれぞれファスナーを挿通させ結合することが行われる。
本変形例の供試体はそのような実使用状態を考慮して、２枚の複合材プレートが複数のファスナーで結合されている状態でどのように電流が流れるか測定できるようにしたものである。
図２５には、上記実施形態の供試体の変形例が示されている。
複合材料で航空機の機体を構成する場合、複数枚の複合材料を所定の間隔（例えば４０〜５０ｍｍ）をおいて設けた複数の貫通孔にそれぞれファスナーを挿通させ結合することが行われる。
本変形例の供試体はそのような実使用状態を考慮して、２枚の複合材プレートが複数のファスナーで結合されている状態でどのように電流が流れるか測定できるようにしたものである。
図２５に示す供試体Ｍは、電極を形成する側の複合材プレートＣ１を幅の広い形状とするとともに、電極１０と反対側の端部に沿ってファスナーＦを挿通させるための複数の貫通孔を形成して、複数の複合材プレートＣ２を結合可能に構成されている。各複合材プレートＣ２の端部（図では右側端部）は、前記実施形態で説明したものと同様に、離型フィルム等を使用して各層間を分離してある。
図２５においては、１枚の複合材プレートＣ１に３枚の複合材プレートＣ２を結合するとともに、そのうち１枚の複合材プレートＣ２は２個のファスナーＦで結合したものを示したが、１枚ずつ結合して電流を測定しても良い。また、図２５に示すように、３枚の複合材プレートＣ２を結合して、全ての複合材プレートＣ２に同時に電流を流してそれぞれのプレートの各層に流れる電流を測定するようにしても良い。
さらに、電極１０に電圧を印加して複合材プレートＣ２側へ電流を流した状態で、各ファスナーＦにテスタ棒を接触させて測定装置で電圧を検出することにより、電極形成側の複合材プレートＣ１における電流分布を測定するようにしても良い。
また、図２５に破線で示すように、複合材プレートＣ１に複数の電極Ｅを形成しておいて、電圧を印加する電極を変えて各複合材プレートＣ２へ流れる電流を測定するようにしても良い。
さらに、電極１０に電圧を印加して複合材プレートＣ２側へ電流を流した状態で、各ファスナーＦにテスタ棒を接触させて測定装置で電圧を検出することにより、電極形成側の複合材プレートＣ１における電流分布を測定するようにしても良い。
また、図２５に破線で示すように、複合材プレートＣ１に複数の電極Ｅを形成しておいて、電圧を印加する電極を変えて各複合材プレートＣ２へ流れる電流を測定するようにしても良い。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば上記実施形態では、供試体Ｍとして繊維配列方向が全層同一のものについて説明したが、供試体Ｍはこのようなものに限定されない。繊維配列方向が互いに９０°異なる層を積層させた供試体や、繊維配列方向が互い４５°異なる４種の層を積層させた供試体でも良い。
例えば上記実施形態では、供試体Ｍとして繊維配列方向が全層同一のものについて説明したが、供試体Ｍはこのようなものに限定されない。繊維配列方向が互いに９０°異なる層を積層させた供試体や、繊維配列方向が互い４５°異なる４種の層を積層させた供試体でも良い。
また、本発明の上記実施形態では、供試体Ｍの複合材プレートＣ１の表面に共通導電線を接続するための電極１０を形成したが、電極１０は複合材プレートＣ１の表面に限定されることはない。例えば、図１３に示されている表面電極の位置に、複合材プレートＣ１を貫通するような電極ピン（ファスナーを含む）を設けても良いし、複合材プレートＣ１の結合側と反対側の端面全体に接触するようなプレート状の電極を設けても良い。
また、上記実施形態では、ＣＦＲＰ層の剥離のために離型フィルムを使用したが、これに限定されることなく共試体Ｍの成型後に治具で剥離する等でもよい。
また、上記実施形態では、ＣＦＲＰ層の剥離のために離型フィルムを使用したが、これに限定されることなく共試体Ｍの成型後に治具で剥離する等でもよい。
また、上記実施形態では、複合材プレートＣ１、Ｃ２として平板状のものを用いたが、本発明ではこれに限定されず、複合材として複雑形状の構造体を用いてもよい。
また、上記実施形態では、電流印加部として電極部１０を説明したが、電流印加部はこれに限定されず、広義に電流が印加される部分、極端に言えば複合材プレートＣ１上に何も加工が施されていない状態のものも含まれる。例えば、雷撃試験を実施する際には、特に電極部が形成されていない複合材プレートＣ１上に放電電流を印加することで本発明の電流測定を行うことできる。
また、上記実施形態では、電流印加部として電極部１０を説明したが、電流印加部はこれに限定されず、広義に電流が印加される部分、極端に言えば複合材プレートＣ１上に何も加工が施されていない状態のものも含まれる。例えば、雷撃試験を実施する際には、特に電極部が形成されていない複合材プレートＣ１上に放電電流を印加することで本発明の電流測定を行うことできる。
Ｍ 供試体（積層型複合材料）
Ｐ１〜Ｐ８ 複合材料のプリプレグ（中間基材シート）
Ｆ１〜Ｆ８ 離型フィルム
Ｌｉ ＣＦＲＰ層
Ｗｉ 導電線
Ｔｉ クリップ
Ａ 銀ペースト
Ｅ 電極
１１ 直流電源
１２ ロゴスキーコイル
１３ｔ 電流計
１４ オシロスコープ
Ｃ１，Ｃ２ 複合材プレート
１０ 電極
Ｐ１〜Ｐ８ 複合材料のプリプレグ（中間基材シート）
Ｆ１〜Ｆ８ 離型フィルム
Ｌｉ ＣＦＲＰ層
Ｗｉ 導電線
Ｔｉ クリップ
Ａ 銀ペースト
Ｅ 電極
１１ 直流電源
１２ ロゴスキーコイル
１３ｔ 電流計
１４ オシロスコープ
Ｃ１，Ｃ２ 複合材プレート
１０ 電極
Claims (18)
- 導電性の繊維を含む複合材料シートを複数積層してなる供試体であって、
前記供試体の端部における前記複合材料シート間に、前記複合材料シート同士を離間するための離間用部材が設けられ、前記供試体の前記端部以外における前記複合材料シート間には前記離間用部材が設けられていないとともに、前記複合材料シートの離間側の端部にはそれぞれ導電性接触部が設けられていることを特徴とする供試体。 - 前記供試体における前記複合材料シートが離間していない部分に、前記供試体に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部を有することを特徴とする請求項１に記載の供試体。
- 前記共通導電線接続部は、前記供試体の表層の前記複合材料シート中の導電性の繊維が外部に露出された部分であることを特徴とする請求項２に記載の供試体。
- 前記共通導電線接続部は、前記供試体の端部のうち離間していない端部であることを特徴とする請求項２に記載の供試体。
- 前記供試体が前記複合材料シートの積層方向に貫通する貫通孔を有し、前記共通導電線接続部は前記貫通孔に挿入される導電部材であることを特徴とする請求項２に記載の供試体。
- 前記供試体は、前記複合材料シートを複数積層してなる第１複合材と第２複合材とを有し、前記第１複合材と前記第２複合材を重ね合わせ、両複合材を貫通するように設けられた導電体で結合してなる供試体であって、
前記第２複合材に、前記離間用部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の供試体。 - 前記第２複合材の複合材料シート離間側は、離間された前記複合材料シートにそれぞれ個別導電線が接続可能にされていることを特徴とする請求項６に記載の供試体。
- 前記第１複合材に、前記供試体に電流を印加するための共通導電線が電気的に接続される共通導電線接続部が形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の供試体。
- 前記第１複合材には周縁部に沿って所定の間隔で複数の貫通孔が形成され、該複数の貫通孔に挿入された複数の導電部材によって前記第２複合材が接続可能もしくは複数の第２複合材が接続可能に構成されていることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の供試体。
- 前記導電部材が前記供試体を他の部材と締結するためのファスナーであることを特徴とする請求項５または９に記載の供試体。
- 前記離間用部材が絶縁性を有する離型フィルムであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の供試体。
- 請求項１から１１のいずれかに記載の供試体中に流れる電流を測定する電流測定方法であって、
前記供試体に、測定電流を入力するための共通導電線を電気的に接続し、
前記離間部材により離間された各複合材料シート又は一部の複合材料シートに、測定電流を取り出すための個別導電線をそれぞれ電気的に接続し、
前記共通導電線と前記個別導電線との間に電流を流して、前記供試体中の前記複合材料シートに流れる電流を個別にまたは同時に測定することを特徴とする供試体電流測定方法。 - 前記供試体の表層の前記複合材料シート中の導電性の繊維を外部に露出させ、当該露出部分に前記共通導電線を接続することを特徴とする請求項１２に記載の供試体電流測定方法。
- 前記供試体に前記複合材料シートの積層方向に貫通する貫通孔を形成し、前記貫通孔に挿入される導電部材に共通導電線を接続することを特徴とする請求項１２に記載の供試体電流測定方法。
- 前記導電部材が前記供試体を他の部材と締結するためのファスナーであることを特徴とする請求項１４に記載の供試体電流測定方法。
- 前記供試体の端部に共通導電線を接続することを特徴とする請求項１２に記載の供試体電流測定方法。
- 請求項６から９のいずれかに記載の供試体中に流れる電流を測定する電流測定方法であって、
前記第１複合材に、測定電流を入力するための共通導電線を電気的に接続し、
前記離間部材により離間された各複合材料シート又は一部の複合材料シートに、測定電流を取り出すための個別導電線をそれぞれ電気的に接続し、
前記共通導電線と前記個別導電線との間に電流を流して、前記第２複合材中の前記複合材料シートに流れる電流を個別にまたは同時に測定することを特徴とする供試体電流測定方法。 - 前記個別導電線に流れる電流、又は前記個別導電線の所定範囲における電圧に基づいて前記複合材料シートに流れる電流を測定することを特徴とする請求項１２から１７のいずれかに記載の供試体電流測定方法。
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