JP7141151B2 - 圧縮試験治具、樹脂含浸ストランド圧縮試験片、および、圧縮試験片作製治具 - Google Patents
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Description
圧縮試験装置に取り付けられる一対の圧盤と、
各上記圧盤における上記樹脂含浸ストランド圧縮試験片の取り付け側の盤面にそれぞれ設けられ、片方の上記タブの側面を把持して固定する複数の把持部と、を有しており、
各上記把持部は、上記圧縮試験装置の荷重軸と同軸にされる上記圧盤の圧盤軸に垂直な方向であって上記圧盤軸に向かう方向および上記圧盤軸から離れる方向に進退動自在に構成されているとともに、上記圧盤に対して固定可能に構成されている、圧縮試験治具にある。
各上記タブは、上記樹脂含浸ストランドを挿通するための貫通孔と、該貫通孔と上記タブの側面とを連通させる連通孔とを有しており、
上記樹脂含浸ストランドの両端部は、各上記貫通孔にそれぞれ挿通されており、
上記樹脂含浸ストランドの外周面と上記貫通孔の内周面との間および上記連通孔内に接着性樹脂が満たされている、樹脂含浸ストランド圧縮試験片にある。
ベース部と、
上記ベース部に設けられており、複数の上記タブを互いに離間させて一方向に並べるためのガイド部と、
上記ガイド部に沿って並べられた複数の上記タブを上記ガイド部に押し付けて固定するための固定部と、
を有する圧縮試験片作製治具にある。
実施形態1の樹脂含浸ストランド圧縮試験片について、図1~図5を用いて説明する。図1~図4に示されるように、本実施形態の樹脂含浸ストランド圧縮試験片1は、樹脂含浸ストランド10と、樹脂含浸ストランド10の両端部を保持する一対のタブ11とを有している。樹脂含浸ストランド圧縮試験片1では、一対のタブ11間に配置された樹脂含浸ストランド10の部分が圧縮試験部101とされる。各タブ11は、樹脂含浸ストランド10を挿通するための貫通孔111と、貫通孔111とタブ11の側面とを連通させる連通孔112とを有しており、樹脂含浸ストランド10の両端部は、各貫通孔111にそれぞれ挿通されている。樹脂含浸ストランド10の外周面と貫通孔111の内周面との間および連通孔112内には、接着性樹脂12が満たされている。以下、これを詳説する。
そこで、炭素繊維の物性を用いて、試験対象とする樹脂含浸ストランド10の物性を計算する。なお、炭素繊維および含浸させる樹脂の圧縮弾性率は、それぞれ引張弾性率と同じとする。
一般的な炭素繊維の圧縮弾性率Efは、230~900GPaであり、炭素繊維を用いた樹脂含浸ストランド10における繊維体積分率vfは、0.3~0.8である。樹脂は、炭素繊維と比較すると十分に圧縮弾性率が小さい。そのため、炭素繊維を用いた樹脂含浸ストランド10の圧縮弾性率Esは、次の複合則の式で与えられる。
Es=vf×Ef・・・(式1)
(式1)に、繊維体積分率vfおよび炭素繊維の圧縮弾性率Efを代入すると、炭素繊維を用いた樹脂含浸ストランド10の圧縮弾性率Esは、69~720GPaとなる。
炭素繊維の圧縮強度σfは、炭素繊維の引張強度の半分であるとすると、炭素繊維の圧縮強度σfは、3.5~7GPaとなる。
炭素繊維を用いた樹脂含浸ストランド10の圧縮破壊は、炭素繊維の強度が最大限発揮された場合において炭素繊維の圧縮破壊によって引き起こされる。そのため、炭素繊維を用いた樹脂含浸ストランド10の圧縮強度σcsは、次の複合則の式で与えられる。
σcs=vf×σf・・・(式2)
(式2)に、繊維体積分率vfおよび炭素繊維の圧縮強度σfを代入すると、炭素繊維を用いた樹脂含浸ストランド10の圧縮強度σcsは、0.35~3.15GPaとなる。
繊維体積分率vfが0.3~0.8の炭素繊維を用いた樹脂含浸ストランド10の計算直径Dcは、次の式で与えられる。
Dc=d×√(F/vf)・・・(式3)
但し、d:炭素繊維1本の直径、F:炭素繊維束を構成するフィラメント数
一般的な炭素繊維1本の直径dが5~10μm、炭素繊維束を構成するフィラメント数Fが3000~50000本であるとすると、炭素繊維を用いた樹脂含浸ストランド10の計算直径Dcは、0.3~5mmとなる。
よって、樹脂含浸ストランド10の直径Dを0.3mm以上5mm以下とすることで、炭素繊維以外の他の繊維を用いた樹脂含浸ストランド10についての圧縮強度の評価を確実なものとすることができる。
樹脂含浸ストランド圧縮試験片1の端において、圧縮荷重の1/3の大きさの荷重が、ストランド軸と垂直な方向に負荷される場合、樹脂含浸ストランド圧縮試験片1が回転しない条件は、次の式で表される。
R×P>le×f・・・(式4)
但し、(式4)中、R:ストランド軸102方向に垂直なタブ11の断面視で、タブ11の外形線に内接する内接円113の半径、P:圧縮荷重、le:ストランド軸102方向のタブ11の高さ(タブ11に埋め込まれる樹脂含浸ストランド10の長さと同じ)、f:樹脂含浸ストランド圧縮試験片1のストランド軸102方向に垂直な力
(式4)に、圧縮荷重Pおよびストランド軸102方向に垂直な力fの値を代入すると、タブ11の外形線に内接する内接円113の半径Rに対するストランド軸102方向のタブ11の高さleの比であるle/Rは、3以下となる。
よって、le/Rを3以下とすることにより、樹脂含浸ストランド10の直径変動や極僅かなアライメントのずれ等によって実際に極僅かに生じうる曲げ変形のモーメントによってもタブ11が回転し難い樹脂含浸ストランド圧縮試験片1が得られる。
τ×le=σs×D/4・・・(式5)
(式5)より、樹脂含浸ストランド10の直径Dと、ストランド軸102方向のタブ11の高さleとは、比例関係にあることがわかる。したがって、樹脂含浸ストランド10の直径Dを0.3~5mmとした場合、ストランド軸102方向のタブ11の高さleは、1.5~25mmと導かれる。
円形断面を有する樹脂含浸ストランド10を備える樹脂含浸ストランド圧縮試験片1に座屈が起こる応力σbuclingは、次に示されるEular座屈の式で求められる。
σbucling={(πD)/(2L)}2×E・・・(式6)
但し、(式6)中、D:樹脂含浸ストランド10の直径、L:圧縮試験部101の長さ、E:樹脂含浸ストランド10の圧縮弾性率
なお、樹脂含浸ストランド10が円形断面を有していない場合には、樹脂含浸ストランド10の断面の最も細い部分の圧縮試験部101の長さを用いることで、安全側の座屈応力が求められる。樹脂含浸ストランド圧縮試験片1を座屈させることなく樹脂含浸ストランド10の圧縮強度を測定するためには、圧縮強度が座屈強度よりも高くなること、つまり、座屈するときの圧縮試験部101の長さLよりも、一対のタブ11間の距離が短い樹脂含浸ストランド圧縮試験片1を用いて圧縮試験を行えばよい。
図5に、圧縮弾性率が69GPa、圧縮強度が3.15GPaの場合における、樹脂含浸ストランド圧縮試験片1の圧縮試験部101のアスペクト比L/Dと座屈応力との関係を示す。なお、図5は、樹脂含浸ストランド圧縮試験片1による圧縮試験において、最も試験条件が制約される条件での圧縮試験部101のアスペクト比L/Dと座屈応力との関係を示している。また、図5中、矢印Aは、市販の複合材料から想定される樹脂含浸ストランド10の最大圧縮強度を示している。矢印Cは、圧縮試験時に、樹脂含浸ストランド10が座屈変形しやすくなる領域である。両矢印Bは、圧縮試験時に、せん断破壊による破壊モードで破壊を生じさせることが困難な領域である。図5によれば、圧縮試験部101のアスペクト比L/Dが7.3以下とされる場合には、圧縮試験時に、樹脂含浸ストランド10が座屈変形することなく圧縮強度を測定することができるといえる。一方、樹脂含浸ストランド10の圧縮試験では、本来、樹脂含浸ストランド10は、せん断破壊による破壊モードで破壊する必要がある。図5によれば、圧縮試験部101のアスペクト比L/Dが1以上とされる場合には、圧縮試験時に、せん断破壊による破壊モードで樹脂含浸ストランド10に破壊を生じさせることができるといえる。よって、樹脂含浸ストランド圧縮試験片1において、圧縮試験部101のアスペクト比L/Dを上記特定の範囲内とすることで、樹脂含浸ストランド10の圧縮強度の評価を確実なものとすることができる。
実施形態2の圧縮試験治具について、図6~図18を用いて説明する。なお、図16における上方を上側、下方を下側とする。
実施形態3の圧縮試験片作製治具について、図19、図20を用いて説明する。
参考形態4の圧縮試験方法について説明する。
以下、参考形態の例を付記する。
項1.
繊維束と上記繊維束に含浸された樹脂とを有する樹脂含浸ストランドと、上記樹脂含浸ストランドの両端部を保持する一対のタブとを有しており、一対の上記タブ間に配置された上記樹脂含浸ストランドの部分が圧縮試験部とされる樹脂含浸ストランド圧縮試験片を用い、上記樹脂含浸ストランドの圧縮強度を測定するために用いられる圧縮試験治具であって、
圧縮試験装置に取り付けられる一対の圧盤と、
各上記圧盤における上記樹脂含浸ストランド圧縮試験片の取り付け側の盤面にそれぞれ設けられ、片方の上記タブの側面を把持して固定する複数の把持部と、を有しており、
各上記把持部は、上記圧縮試験装置の荷重軸と同軸にされる上記圧盤の圧盤軸に垂直な方向であって上記圧盤軸に向かう方向および上記圧盤軸から離れる方向に進退動自在に構成されているとともに、上記圧盤に対して固定可能に構成されている、圧縮試験治具。
項2.
各上記圧盤は、各上記把持部を案内するための複数の溝部を備えており、
各上記把持部は、上記溝部に嵌合される嵌合部と、上記タブの側面に当接させる当接部とを備えている、項1に記載の圧縮試験治具。
項3.
上記タブの側面を各上記把持部が把持した状態とされたときに、各上記把持部の高さは、上記圧盤軸方向の上記タブの高さよりも低い、項1または項2に記載の圧縮試験治具。
項4.
各上記把持部の高さは、上記圧盤軸方向の上記タブの高さよりも0.35mm以上低い、項3に記載の圧縮試験治具。
項5.
142GPa以上の圧縮弾性率を有する材料より構成されている、項1~項4のいずれか1項に記載の圧縮試験治具。
項6.
繊維束と上記繊維束に含浸された樹脂とを有する樹脂含浸ストランドと、上記樹脂含浸ストランドの両端部を保持する一対のタブとを有しており、一対の上記タブ間に配置された上記樹脂含浸ストランドの部分が圧縮試験部とされる樹脂含浸ストランド圧縮試験片であって、
各上記タブは、上記樹脂含浸ストランドを挿通するための貫通孔と、該貫通孔と上記タブの側面とを連通させる連通孔とを有しており、
上記樹脂含浸ストランドの両端部は、各上記貫通孔にそれぞれ挿通されており、
上記樹脂含浸ストランドの外周面と上記貫通孔の内周面との間および上記連通孔内に接着性樹脂が満たされている、樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
項7.
上記貫通孔と上記連通孔とが互いに直交している、項6に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
項8.
上記圧縮試験部のアスペクト比L/Dが、1以上7.3以下である、項6または項7に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
但し、
上記L:上記圧縮試験部の長さ
上記D:上記樹脂含浸ストランドの直径
項9.
上記樹脂含浸ストランドの直径が、0.3mm以上5mm以下である、項6~項8のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
項10.
上記貫通孔の孔径は、上記樹脂含浸ストランドの直径の1倍超1.5倍以下である、項6~項9のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
項11.
各上記タブは、ストランド軸方向に垂直な上記タブの断面視で上記タブの外形線に内接する内接円の半径に対する、上記ストランド軸方向の上記タブの高さの比が、3以下である、項6~項10のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
項12.
ストランド軸方向の各上記タブの高さが、1.5mm以上25mm以下である、項6~項11のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
項13.
各上記タブは、ストランド軸方向に垂直な上記タブの断面視で上記タブの外形線に内接する内接円の直径が、1mm以上である、項6~項12のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
項14.
繊維束と上記繊維束に含浸された樹脂とを有する樹脂含浸ストランドと、上記樹脂含浸ストランドの両端部を保持する一対のタブとを有しており、一対の上記タブ間に配置された上記樹脂含浸ストランドの部分が圧縮試験部とされる樹脂含浸ストランド圧縮試験片を作製するために用いられる圧縮試験片作製治具であって、
ベース部と、
上記ベース部に設けられており、複数の上記タブを互いに離間させて一方向に並べるためのガイド部と、
上記ガイド部に沿って並べられた複数の上記タブを上記ガイド部に押し付けて固定するための固定部と、
を有する圧縮試験片作製治具。
項15.
項1~項5のいずれか1項に記載の圧縮試験治具と、項6~項13のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片とを用いて、樹脂含浸ストランドの圧縮強度を測定する、圧縮試験方法。
10 樹脂含浸ストランド
101 圧縮試験部
102 ストランド軸
11 タブ
111 貫通孔
112 連通孔
12 接着性樹脂
2 圧縮試験治具
20 圧盤
21 把持部
23 圧盤軸
3 圧縮試験片作製治具
30 ベース部
31 ガイド部
32 固定部
Claims (13)
- 繊維束と上記繊維束に含浸された樹脂とを有する樹脂含浸ストランドと、上記樹脂含浸ストランドの両端部を保持する一対のタブとを有しており、一対の上記タブ間に配置された上記樹脂含浸ストランドの部分が圧縮試験部とされる樹脂含浸ストランド圧縮試験片を用い、上記樹脂含浸ストランドの圧縮強度を測定するために用いられる圧縮試験治具であって、
圧縮試験装置に取り付けられる一対の圧盤と、
各上記圧盤における上記樹脂含浸ストランド圧縮試験片の取り付け側の盤面にそれぞれ設けられ、片方の上記タブの側面を把持して固定する複数の把持部と、を有しており、
各上記把持部は、上記圧縮試験装置の荷重軸と同軸にされる上記圧盤の圧盤軸に垂直な方向であって上記圧盤軸に向かう方向および上記圧盤軸から離れる方向に進退動自在に構成されているとともに、上記圧盤に対して固定可能に構成されている、圧縮試験治具。 - 各上記圧盤は、各上記把持部を案内するための複数の溝部を備えており、
各上記把持部は、上記溝部に嵌合される嵌合部と、上記タブの側面に当接させる当接部とを備えている、請求項1に記載の圧縮試験治具。 - 上記タブの側面を各上記把持部が把持した状態とされたときに、各上記把持部の高さは、上記圧盤軸方向の上記タブの高さよりも低い、請求項1または2に記載の圧縮試験治具。
- 各上記把持部の高さは、上記圧盤軸方向の上記タブの高さよりも0.35mm以上低い、請求項3に記載の圧縮試験治具。
- 繊維束と上記繊維束に含浸された樹脂とを有する樹脂含浸ストランドと、上記樹脂含浸ストランドの両端部を保持する一対のタブとを有しており、一対の上記タブ間に配置された上記樹脂含浸ストランドの部分が圧縮試験部とされる、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の圧縮試験治具に用いられる樹脂含浸ストランド圧縮試験片であって、
各上記タブは、上記樹脂含浸ストランドを挿通するための貫通孔と、該貫通孔と上記タブの側面とを連通させる連通孔とを有しており、
上記樹脂含浸ストランドの両端部は、各上記貫通孔にそれぞれ挿通されており、
上記樹脂含浸ストランドの外周面と上記貫通孔の内周面との間および上記連通孔内に接着性樹脂が満たされている、樹脂含浸ストランド圧縮試験片。 - 上記貫通孔と上記連通孔とが互いに直交している、請求項5に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
- 上記圧縮試験部のアスペクト比L/Dが、1以上7.3以下である、請求項5または6に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
但し、
上記L:上記圧縮試験部の長さ
上記D:上記樹脂含浸ストランドの直径 - 上記樹脂含浸ストランドの直径が、0.3mm以上5mm以下である、請求項5~7のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
- 上記貫通孔の孔径は、上記樹脂含浸ストランドの直径の1倍超1.5倍以下である、請求項5~8のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
- 各上記タブは、ストランド軸方向に垂直な上記タブの断面視で上記タブの外形線に内接する内接円の半径に対する、上記ストランド軸方向の上記タブの高さの比が、3以下である、請求項5~9のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
- ストランド軸方向の各上記タブの高さが、1.5mm以上25mm以下である、請求項5~10のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
- 各上記タブは、ストランド軸方向に垂直な上記タブの断面視で上記タブの外形線に内接する内接円の直径が、1mm以上である、請求項5~11のいずれか1項に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片。
- 繊維束と上記繊維束に含浸された樹脂とを有する樹脂含浸ストランドと、上記樹脂含浸ストランドの両端部を保持する一対のタブとを有しており、一対の上記タブ間に配置された上記樹脂含浸ストランドの部分が圧縮試験部とされる、請求項5に記載の樹脂含浸ストランド圧縮試験片を作製するために用いられる圧縮試験片作製治具であって、
ベース部と、
上記ベース部に設けられており、複数の上記タブを互いに離間させて一方向に並べるためのガイド部と、
上記ガイド部に沿って並べられた複数の上記タブを上記ガイド部に押し付けて固定するための固定部と、
を有する圧縮試験片作製治具。
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