JP5878963B2 - 供試体及び電流測定方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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、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。
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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