繊維強化複合材の紹介

複合材とは

複合材または繊維強化複合材は、少なくとも 2つのマクロ的に異なる材料で構成されており、材料特性を改善する目的で組み合わされています。強化繊維は通常、樹脂(マトリックス材料)に埋め込まれ、硬化されます。

これを達成するために、繊維は繊維束か生地に加工されます。繊維から布地を製造する方法のほとんどは繊維産業から生まれているので、繊維の補強材を加工する際にも、この分野で使われる用語のほとんどが使われています。繊維の種類によって、複合材の強度と剛性が決まります。整列した繊維が組み込まれている材料は繊維がない同じ材料よりも繊維方向ではるかに強い場合があります。繊維の方向に垂直に力を加えると、剛性の増加はそれほど顕著ではありません。繊維が応力のコンセントレータとして機能するため、この方向の強度は低くなります。実際には、さまざまな方向に配置された繊維が組み込まれていることがよくあります。

多種多様な設計が可能です*:

          

       単方向ファイバ                          双方向ファイバ                            短繊維

次のグラフは、ファイバが複合材の強度に与える影響を示しています:

*ナノコンポジットは、ナノメーターレベルの超小型繊維を補強材として使用しています。


複合材の構成要素

一般的に使用されるファイバには、次のものがあります:

  • ガラス繊維 (GFRP)
  • 炭素繊維( CFRP )
  • アラミド繊維( AFRP )
  • 人造鉱物繊維
  • ポリマー繊維
  • 鉱物繊維
  • 天然繊維 (NFRP)

使用される樹脂には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂があります。

複合材の適用分野

  • 航空宇宙産業(機体、駆動部品、空力部品など)
  • 自動車(シャシーコンポーネント、エアロダイナミックコンポーネント)
  • 大型車体(電車、トラック、バス)
  • 船体(ハル構造)
  • 風力発電タービン(ローターブレード)
  • スポーツ用品
  • インフラと建物(建物の修復、 GFRP ブリッジ)
  • 医療工学(人工器官、 X線テーブル)

複合材が使用される理由

  • 優れた強度対重量比と燃料効率の向上
  • 高強度、弾性曲げ特性
  • 材料の自由な成形性(強度、剛性、熱、電気抵抗、形態、 機能)
  • 風力発電タービン(ローターブレード)
  • スポーツ用品
  • インフラと建物(建物の修復、 GFRP ブリッジ)
  • 医療工学(人工器官、 X線テーブル)

複合材でひずみ測定をする理由

複合材料自体と複合材で作られた構造体の特性評価は、実用上の耐久性を確認するために非常に重要です。この目的のために、さまざまなテストが実行されます。構造体の変形を測定するのは重要で、その構成材のひずみは、損傷の影響と耐久性を決定する重要な要因です。

  1. テストベンチまたは現場でのコンポーネント / 構造の耐久性パラメータの決定
  2. 標準化された試験サンプルの材料特性の測定。ひずみゲージの使用を含む複合材料のための多くの異なったテスト標準がある。
    一般的なテストは次のとおりです:
  • 曲げテスト( 3ポイント、 4ポイント)
  • 引張試験
  • せん断試験(層間)
  • ラップせん断(接着テスト)
  • 空いた穴 / 埋め込み穴
  • 衝撃後の圧縮
  • 圧縮テスト
  • 切欠試片の衝撃曲げ試験
  • 穴あけ加工テスト

複合材料試験の課題

構造動作を計算するには、高度な方法 / ツールが必要です。機械特性は方向依存(強さ、弾性係数、ポアソン比など)であり、多くの繊維強化複合材は金属材料とは反対の特性を示します:材料の剛性特性は、方向(直交)によって異なります。

これらの材料対して、従来の計算方法は、特定のケース(例 Tsaai Wu )にしか使用できません。複合材に対しては、金属部品の FKM ガイドラインに類似したユニバーサル計算方法や規格はありません。複合材は積層構造であるため、準等方性積層材の使用にも適用されます。複合材料の特性計算を行うための多くの方法は既に開発されています。

 

もう1つの課題は、ひずみ信号を機械的ストレスに変換することです。

  • 損傷 / 故障メカニズムは複雑です

    • 中間ファイバの破損

    • 剥離

    • 繊維に平行に発生した亀裂

  • 製造公差は、一般的に制御が困難です

    • ファイバ方向

    • マトリックスオフセット

    • 中間繊維混合物

    • 樹脂の蓄積

    • 異物

    • 気孔率

    • バッチバラツキ

  • 従来の金属材料よりも高価です
  • 温度に敏感です
  • UV光に敏感です
  • リサイクルが困難
  • 高い投資コスト(生産)
  • さらに、熱弾性応答を考慮する必要があります:

  • 熱伝導率の低下:複合材料は、従来の金属より熱伝導率が低くなっています
  • 熱係数の残留応力(ハイブリッド構造など)と異方性材料挙動の違い

HBMが複合材の測定に推奨するひずみゲージ

これは、測定の目的によって異なります:

  • Y シリーズ(最大 5% ひずみ)を使用して、静解析、高歪み、およびクーポンテストを行います
  • M シリーズ(最大 1 % ひずみ)を交互負荷テストに使用します
  • 一般的なはんだ付け温度が問題になるような複合材には、 配線済み Y配線済みYひずみゲージを使用することをお勧めます。

複合材料用ひずみゲージには、常に在庫している機種があります。

  • リニア歪みゲージは、構造試験やサンプル試験でよく使用されます
  • 例えば、ポアソン比を決定するには、Tロゼットが使用されます
  • 3測定グリッドロゼットも使用されますが、これは主ひずみと応力方向を決定するために均質な材料でのみ推奨されます

測定グリッド長の選択

ひずみゲージは、表面より下のひずみを統合し、平均ひずみを測定します。

正しい測定グリッド長は、テストの目的によって異なります。グリッド長 6 mm および 10 mm は、一般的な複合材のひずみ測定に適しています。

原則として、ひずみゲージの選択にはコンクリートの場合と同じルールが適用されます。ひずみゲージの長さは、強化繊維の長さを少なくとも 5 倍超えている必要があります。ストレインゲージの幅は、複数の強化繊維をカバーする広さが必要です。

材料の不均質により、局所的なひずみピークが発生する可能性があります。この場合、ひずみゲージチェーンを使用してひずみ勾配を決定できます。多くの場合、強化繊維間の応力ピークは平均ひずみの数倍です。その結果、ストレインゲージが過負荷になったり、最大伸びに達したり、超過したりすることがありますが、アンプにはかなり小さなひずみが表示されます。したがって、個々のポイントでひずみゲージが過負荷(永久破損)になったり、設置プロジェクト全体が失敗する危険性があります。この問題は、ひずみゲージと被測定部材の間に薄いポリイミドフィルムを挿入することで解消できます。フィルムは複合材とひずみゲージの間に接着され、複合材の特性を統合します。つまり、ひずみゲージ測定グリッドの下で応力ピークを「分散」します。層が厚くなるため、フィルムは高いひずみが予想される場合にのみ使用してください。

ひずみゲージの抵抗値

HBMでは、放熱速度が遅い材料には 1000Ωのひずみゲージを使用することを推奨しています。代わりに350Ωのひずみゲージも使用できます。ただし、ひずみゲージまたは複合材に許容できない温度上昇があるかどうかを確認することをお勧めします

励起電圧

すべてのひずみゲージの電圧は熱に変換されます。繊維複合材などの導電性の悪い材料は、センサと非測定部品が表面で加熱されていることを示しています。安定した測定を行うには、熱流 Q が印加されたパワー P に対応している必要があります

P = Q

下の図は、放熱速度がゆっくりと使用した材料の場合の 350Ωのひずみゲージ測定グリッドの加熱プロセスを示しています:

測定ポイントの熱は金属で簡単に発生します。しかし特にアルミニウムでは、高い熱伝導が可能です。コンポジットの熱伝導率はかなり低くなります。

特定の加熱段階終了後に、測定システムが安定した状態でのみ複合材の測定を開始するようにしてください。

励起電圧が 5 V の1ゲージ式アプリケーションでは、次の値を使用できます:

  • 加熱段階は、 1000Ω 測定機器では約 3 ~ 4 分です
  • 加熱段階は、 120 / 230Ω 測定機器では約 5 ~ 6 分です

複合材などの放熱速度が不十分な場合、HBMは、低励起電圧 < 2.5 V を使用することを推奨しています。励起電圧が高いと、ひずみゲージが大きく一定に加熱されます。この熱は被測定材料内に蓄積されます。次の図は、 350 Ωのひずみゲージグリッドにおける 0.5 、 2.5 、 5 、および 10 V 励起電圧( DC )の違いを示しています。

複合材料の推奨(経験より):

  • 放熱速度が遅い熱伝導性の低い複合材の場合は 0.5 V
  • 通常のテストでは 1 V ~2.5 V

1ゲージ式ブリッジアプリケーションでの温度応答マッチング

1ゲージ式ブリッジアプリケーションでは、長期測定中に温度変化が発生するため、ひずみゲージの温度応答を最適に調整する必要があります。この場合、ひずみゲージの温度応答マッチングは、熱膨張係数に最も適合し、熱ひずみ信号を最小限に抑える必要があります。

ただし、製造公差(繊維巻線、層生産、繊維配向、製造方法(自動または手動))のために、材料特性も異なる可能性があるため、繊維強化複合材に応じておおよその温度応答マッチングのみを達成できることに注意する必要があります。

一般的に、複合材の測定にはコード番号 6 のひずみゲージを使用することをお勧めします( α = 0.5 · 10-6/K )。これは、目的により異なる場合があります:

設置表面のクリーニング

  • プラスチックを溶剤で処理する場合は、膨張や応力腐食の原因となる可能性があるため、注意が必要です(例えば、アセトンの使用は要注意です)。湿度または応力腐食による膨張のリスクがあります。
  • 白ガス(無着色のガソリン)とイソプロピルアルコールは、特に接触時間が短いため、ほとんど問題はないと考えられます。
  • 重大なケースでは、様々な形態でプラスチックが使用される場合が非常に多く、明確な予測ができないため、予備テストを必ず実施する必要があります。これは、 RMS1 クリーニング剤の使用にも適用されます。
  • 可能であれば、表面のクリーニングに溶剤を使用しないでください。代替クリーニング剤には、次のものがあります:
    • 脱イオン水
    • 石油エーテル
    • 石鹸

表面粗さ

  • 測定ポイントを次のように準備することをお勧めします。粗布(粒径 400 )を使用して粗洗浄し、水で洗浄します(理想的には脱イオン水)。
  • リリース剤とエポキシ充填材を除去する必要がある(粒径 400 )
  • サーフェスをわずかに荒くして表面特性を改善します(面結合特性を改善します)。
  • 表面プラズマ活性化により、オプションで結合特性を改善することもできます

注:下層の繊維は、過度に深い加工によって損傷してはなりません。

接着剤と接着方式の選択

HBM 製のすべての常温硬化式の接着剤を使用して、ひずみゲージを取り付けることができます

  • Z70 滑らかな表面用
  • X60 粗い複合材表面用
  • X280 高温用(注意:適切な温度での後硬化が推奨されます。手順を参照してください)

 

ファイバに方向性がある場合は、直交異方性材料の挙動に応じてひずみゲージを正しく位置合わせをすることが重要です:

次のように、被測定材料にひずみゲージを正確に位置合わせしてください:

Y シリーズひずみゲージ、接着前に固定:

タイプ 1-LY41-6-350 ひずみゲージ、 X60 接着剤を使用して CFRP 材料に専門家が取り付け:

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