(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料部品の経時劣化を評価するための非破壊方法であって、
予備段階において、複合材料の重量損失に応じたこの複合材料での超音波減衰の変化の少なくとも一つの特性図を作成するステップと、
前記複合材料でできた部品の検査段階において、その複合材料部品での超音波減衰を測定し、またその複合材料部品の重量損失を、予備段階中に作成された図表を用いて求めるステップとからなることを特徴とする非破壊方法。
【請求項２】
図表の作成が試験片の重量損失の計測と試験片での超音波減衰測定とを行うことでなされ、またこれらの計測が経時的に繰返される方法でなされることを特徴とする請求項１に記載の非破壊法。
【請求項３】
図表がある与えられた基準温度について作成されることを特徴とする請求項１または２に記載の非破壊法。
【請求項４】
基準温度が検査される複合材料部品の通常の使用温度より高く、かつ当該の複合材料に固有な限界温度より低いことを特徴とする請求項３に記載の非破壊法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
発明は複合材料部品の経時劣化を評価するための非破壊方法に関するものであり、繊維強化樹脂を含有するすべての有機複合材料部品に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
有機複合材料部品の寿命はこの部品の使用条件、特にこの部品がその使用中に受ける熱サイクルに依存している。
【０００３】
有機複合材料に大きな、繰返し温度変化がかかると、樹脂の変質に主として起因した材料損失が引き起こされる。この材料損失は複合材料の重量損失と機械的性質の損失を伴う。特に、積層間および積層中せん断力が増加し、破断に対する力が減少し、縦弾性係数が低下する。とりわけ航空機製造技術分野においては、安全上の理由により、複合材料部品は、重量損失が当初重量の３％に達すると、ただちに交換されなければならない。従って、複合材料部品の寿命を把握できることが、そして機械的性質の観点からそれらの年齢を評価できることが肝要である。
【０００４】
実際のところ、複合材料部品の重量損失を決めるにあたっては、複合材料の各成分、すなわち繊維、樹脂の割合を求めて、そこから複合材料部品の重量損失を導き出すために、試料が部品から切り取られ、化学作用によって処理される。この作業は試料の採取の際に部品を破壊するという欠点があるので、試験の実施が望ましくても、それほど度々使用されることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、この問題を解決するとともに、複合材料部品の劣化の変化を時間の経過の中で常にフォローできる、また複合材料の寿命を決定できる一つの非破壊方法を確立することである。この方法は部品の実際の使用条件の下で、希望する都度使用されることができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明はある複合材料の重量損失の変化と、この複合材料の内部における超音波減衰の変化との間に存在する相関関係を利用することからなる。
【０００７】
本発明に従えば、予備段階において、複合材料の重量損失に応じたこの複合材料での超音波減衰の変化の少なくとも一つの特性図が作成される。そして、その図表は、この同じ複合材料でできた部品の検査段階において、複合材料での超音波減衰の、場合によっては現場での測定から複合部品の重量損失を求めるために、またそこから複合材料の損傷を導き出すために用いられる。
【０００８】
本発明によれば、ある複合材料部品の経時劣化を測定するための非破壊方法は下記のことを特徴とする。
【０００９】
−  予備段階において、複合材料の重量損失に応じたこの複合材料での超音波減衰の変化の少なくとも一つの特性図を作成すること、ならびに
−  前記複合材料でできた部品の検査段階において、複合材料部品での超音波減衰を測定すること、および複合材料部品の重量損失を、予備段階時に作成された図表を用いて求めることからなる。
【００１０】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図を参照しながら非限定的な例として示されている以下の記述を読み進むに従って明確になるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この方法の予備段階は、ある与えられた複合材料の重量損失に応じたこの複合材料での超音波減衰の経時的変化を表した一つの特性図の作成に関係する。
【００１２】
図表は、超音波減衰測定と、対応する重量損失測定とが経時的に計測されるサンプルから作成される。
【００１３】
図１に表されている超音波減衰測定装置は、検査される複合部品の方向に超音波を発射するための、また複合部品２０から反射した超音波信号を受信するための音響プローブ１０を持つ。音響プローブ１０は、経時的に繰返しパルス電気信号を送り出すための、また音響プローブによって送り出された電気信号を帰路にて受信するための電気信号発生装置３０に接続される。電気信号発生装置３０の出力側に接続されるオシロスコープ４０は、オシロスコープの画面上にて、音響プローブ１０によって送信された信号のトレースの表示を可能にする。
【００１４】
図１の縦断面図に示されている音響プローブは、水が充填された円筒槽１２の長手空洞部にはめ込まれた超音波送受信トランスデューサ１１を持つ。円筒槽１２は検査される複合部品２０と接触するための、トランスデューサと対向した表面１３を持つ。槽の水１はトランスデューサ１１と被検査部品２０との間にて結合流体を構成する。水中での超音波の伝播はよく知られている特性を有しているので、結合流体として水を使用することにより、複合材料２０での超音波減衰の良好な測定精度を得ることができる。
【００１５】
ある複合材料での超音波減衰の測定装置の作動は次のとおりである。
【００１６】
音響プローブ１０が検査される複合材料の一つの面に当てられる。次に、経時的に繰り返されるパルス電気信号が電気信号発生装置３０によって生成され、音響トランスデューサ１１の入力部に印加される。圧電効果により、トランスデューサ１１はこの電気信号を超音波に変換し、これらの波を検査される複合部品２０の方向に伝送する。発射された超音波は連続した種々の媒質１、２、３の中を伝わり、遭遇した媒質１、２、３間の二つの境界面にて部分的に反射される。第一の媒質１は槽の水であり、第二の媒質２は検査される複合材料であり、第三の媒質は水でも空気でもよい。二つの境界面にて、すなわち媒質１と２間および媒質２と３間のそれぞれにて反射した超音波は二つのエコーを形成する。
【００１７】
これらの二つのエコーは、それらのエコーを逆圧電効果により電気信号に再変換する音響トランスデューサ１１によってキャッチされる。電気信号は音響トランスデューサ１１の出力部に送り出され、そしてオシロスコープ４０の画面上に表示される。二つのエコーに対応した二つの電気信号の振幅Ａ０およびＡ１の測定が、次に、図２に関連して以下で示されているように、複合材料での超音波減衰を求めるのに利用される。
【００１８】
図２は、本発明によれば、測定装置のオシロスコープの画面上に表示される電気信号の一つの例を示している。
【００１９】
表示される電気信号は、水／複合と複合／媒質３の二つの境界面における超音波の反射に関連したエコーに対応している。なお、媒質３は水か、もしくは空気のどちらでもよい。
【００２０】
振幅Ａ０の第一の信号は、水／複合の境界面における波の反射に対応している。振幅Ａ１の第二の信号は、第一の信号に対して位相がずれており、第二の複合／媒質３の境界面における波の反射に対応している。
【００２１】
肉厚ｄのプレートの形をした複合材料については、媒質３が水であるか（ａ）、空気であるか（ｂ）に応じて次の関係式（ａ）あるいは（ｂ）のうちの一つにより、その複合材料での超音波減衰αがネーパー／メートルで表される。
【００２２】
（ａ）α＝（１／２ｄ）・ＬＮ［（Ａ０／Ａ１）・（４Ｚ２Ｚ３／（Ｚ２＋Ｚ３）２］
（ｂ）α＝（１／２ｄ）・ＬＮ［（Ａ０／Ａ１）・（４Ｚ２Ｚ３／（Ｚ２２−Ｚ２３）］
ここで、ＬＮはネーピアの対数であり、Ｚ２とＺ３はそれぞれ水の音響インピーダンスと当該複合材料の音響インピーダンスである。
【００２３】
ある媒質の音響インピーダンスは、当該の媒質の密度とその媒質を伝わる超音波の速度との積として定義される。
【００２４】
従って、周囲温度における水については、
Ｚ２＝１．４７７  ・１０６Ωａｃである。
【００２５】
複合材料の密度を求めるには、たとえば（空気中と水中での）二重秤量により行うことができる。また、複合材料中での超音波の速度はあらゆる既知方法により求めることができる。
【００２６】
図３ａ、図３ｂ、図３ｃは、ある複合材料の重量損失に応じたこの複合材料での超音波減衰の変化曲線の例を表している。
【００２７】
複合材料の経時的な劣化はゆっくりとした変化であるので、減衰および重量損失の測定は複合材料の経時劣化プロセスを加速させることによって行われた。
【００２８】
経時劣化の加速は、複合材料の劣化を加速させて、合理的な時間が経過した時点でその影響を観察するために、複合材料を、その複合材料の通常の使用温度よりも高い温度にさらすことによって得られる。
【００２９】
しかしながら、ある限界温度値を超えないことが重要である。この限界温度値とは、その限界温度値を超えたならば、複合材料のある別の損傷プロセスが観察されるところの値である。このことは、より低い温度における諸測定の外挿を妨げる。
【００３０】
この別の損傷プロセスは、たとえば、複合材料の樹脂の悪化と重なり合う繊維の悪化に起因している場合がある。この限界温度は当該の複合材料に依存しており、たとえば二つの異なる複合材料の寿命をこれらの複合材料に適用される温度の関数として表している二つの変化曲線の図６と図７との関連で述べる熱力学的事前研究を行うことにより評価され得る。ＰＭＲ１５の名前で知られている複合材料の場合、加速経時劣化の限界温度は３４０℃に等しい。
【００３１】
重量損失に応じた減衰の変化への経時劣化温度の影響を観察するために、三つの異なる経時劣化温度に対応した三つの曲線が、複合材料ＰＭＲ１５の少なくとも三つの試験片を用いて作成された。三つの経時劣化温度は、それぞれ２９０℃、３０５℃および３４０℃に等しいように選択された。これらの三つの曲線は、それぞれ３ａ、３ｂ、３ｃに示されている。
【００３２】
各曲線の作成は次の方法で行われる。
【００３３】
複合材料の一つの試験片が恒温器の中に置かれ、その複合材料の通常の使用限界よりも高い、あらかじめ決められた経時劣化温度にまで加熱される。あらかじめ決められた時間の経過後、試験片は恒温器から取り出され、試験片での超音波減衰の測定と試験片の重量損失の測定が行われる。
【００３４】
重量損失を測定するにあたっては、空調装置を備えた室内に置かれた、１０万分の１グラムという精密な秤が用いられる。
【００３５】
次に、試験片はあらかじめ決められた時間の間中、同じ経時劣化温度にて恒温器の中に置かれる。そして、恒温器から取り出され、新たに試験片での超音波減衰の測定と試験片の重量損失の測定が行われる。
【００３６】
これらの一連の作業は、ある選択された等温線に対する複合材料の重量損失に応じた超音波減衰の変化曲線を作成するのに十分な回数だけ反復される。
【００３７】
変化曲線の信頼性を高めるために、計測は複数の試験片を用いて複数回行うことができる。それ故に、図３ａ、図３ｂ、図３ｃに示されている各曲線の作成にあたっては二つの試験片が用いられた。
【００３８】
三つの異なる経時劣化温度について得られた三つの曲線は、減衰値の推定が１０％の不確実性で得られると仮定するならば、似通っている。
【００３９】
従って、これらの三つの曲線は、複合材料に適用される経時劣化温度に関係なく、超音波減衰が複合材料の重量損失に応じて変化することを示している。故に、減衰パラメータは重量損失の観点から複合材料の熱履歴を即時的に説明することができる。
【００４０】
従って、複合材料の損傷度のインジケータを得るために、ある基準等温線に対して、また与えられた一種類の複合材料に対して、たった一つの図表を作成するだけで十分である。
【００４１】
図４と図５は、ＰＭＲ１５とＫｅｒｉｍｉｄ７３６の名前でそれぞれ知られている、二つの異なる複合材料に対して作成された二つの図表例を表している。これらの二つの図表は、複合材料ＰＭＲ１５に関する図４の図表については３１５℃に、また複合材料Ｋｅｒｉｍｉｄ７３６に関する図５の図表については２２０℃にそれぞれ等しいように選択された基準温度にて作成された。
【００４２】
これらの図表により、当該の複合材料での超音波減衰の測定を行うだけで、この複合材料の経時劣化についての指示を得ることができる。
【００４３】
特に、これらの図表により、重量損失の面で複合材料の使用限界に達しているか、減衰の測定から判断することができる。航空機製造技術分野においては、この使用限界は複合材料の当初重量に対して３％の重量損失に定められている。
【００４４】
図４と図５に表されている図表は、この使用限界が二つの複合材料ＰＭＲ１５とＫｅｒｉｍｉｄ７３６については、約１４０ネーパー／メートルの超音波減衰に相当していることを示している。
【００４５】
また、これらの図表は、経時劣化プロセスの適用前の当初状態において、超音波のある種の残留減衰が複合材料に存在していることも示している。この残留減衰は複合材料の気孔率や、材料の内部に共存している二つの繊維・樹脂相の寄与に依存している。
【００４６】
経時劣化に起因した効果は残留減衰よりもはるかに大きい。
【００４７】
従って、これらの図表は複合材料部品の損傷の評価を可能にする、また非破壊的方法によるこの複合材料部品の絶えざる変化のフォローを検査者に可能にするツールになる。
【００４８】
図６と図７は二つの異なる複合材料  −  それぞれＰＭＲ１５とＫｅｒｉｍｉｄ７３６  −  に適用される温度に応じたこれらの複合材料の寿命の変化の二つの曲線を表している。
【００４９】
これらの曲線は、ある複合材料の使用限界として、その複合材料の当初重量に対して３％の重量損失限界値を定めることにより実験的方法で得られた。
【００５０】
各測定点は、サンプルを連続した時間間隔の間中、あらかじめ決められた温度にまで加熱し、各時間間隔後にそのサンプルの重量損失を測定することで得られる。これらの作業はサンプルの重量損失が約３％になるまで行われ、対応する時間が曲線上にノートされる。
【００５１】
さまざまなサンプルがさまざまな測定点について用いられる。
【００５２】
サンプルの重量損失を測定するにあたっては、１０万分の１グラムという精密な秤が用いられる。
【００５３】
これらの曲線が明らかにしていることであるが、複合材料に固有なある限界温度、ＰＭＲ１５の場合は約３４０℃、Ｋｅｒｉｍｉｄ７３６の場合は２８０℃を超えると、複合材料の経時劣化に関係したプロセスと異なる複合材料の悪化プロセスが存在する。この限界温度を超えると、複合材料の二つの損傷プロセスに起因した効果が積み重なる。このことは、それよりも低い温度におけるときよりもはるかに速い、複合材料の重量損失の変化として現出する。
【００５４】
従って、図４と図５に表されている図表が超音波減衰の測定を行うことだけで当該の複合材料の経時劣化についての指示を得ることを可能にするためには、これらの図表は複合材料に固有な限界温度未満の基準温度について作成されなければならない。
【００５５】
ある与えられた複合材料での超音波減衰に応じたこの複合材料の重量損失の変化の特性図が作成されるならば、この同じ複合材料でできた部品の検査段階を実施に移すことができる。この検査段階においては、図１との関連で述べた装置が複合材料部品での超音波減衰を測定するために用いられる。次に、予備段階で作成された図表が、そこから対応する重量損失を導き出すために、また当該部品がまだ使用可能であるか、交換されなければならないか判断するのに用いられる。
【００５６】
この検査は非破壊的であり、希望する都度、いつでも行うことができる。
【００５７】
本発明は先に述べた例に限定されるものではない。本発明はあらゆる種類の複合材料に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるある複合材料での超音波減衰の測定装置の一例の概略図である。
【図２】本発明による測定装置の出力部に送り出される電気信号の一例を示す図である。
【図３ａ】２９０℃に等しいように与えられた基準温度について作成された、本発明による複合材料ＰＭＲ１５の重量損失に応じたこの複合材料での超音波減衰の変化曲線の例を示す図である。
【図３ｂ】３０５℃に等しいように与えられた基準温度について作成された、本発明による複合材料ＰＭＲ１５の重量損失に応じたこの複合材料での超音波減衰の変化曲線の例を示す図である。
【図３ｃ】３４０℃に等しいように与えられた基準温度について作成された、本発明による複合材料ＰＭＲ１５の重量損失に応じたこの複合材料での超音波減衰の変化曲線の例を示す図である。
【図４】本発明による複合材料ＰＭＲ１５での超音波減衰に応じたこの複合材料の重量損失の変化の例示的特性図である。
【図５】本発明による、Ｋｅｒｉｍｉｄ７３６の名前で知られている複合材料での超音波減衰に応じたこの複合材料の重量損失の変化の例示的特性図の一つの例である。
【図６】複合材料ＰＭＲ１５に加えられる温度に応じたこの複合材料の寿命の変化曲線である。
【図７】複合材料Ｋｅｒｉｍｉｄ７３６に加えられる温度に応じたこの複合材料の寿命の変化曲線である。
【符号の説明】
１、２、３  媒質
１０  音響プローブ
１１  超音波送受信トランスデューサ
１２  円筒槽
１３  表面
２０  複合部品
３０  電気信号発生装置
４０  オシロスコープ
【図１】
0003547603.tif 000002
【図２】
0003547603.tif 000003
【図３ａ】
0003547603.tif 000004
【図３ｂ】
0003547603.tif 000005
【図３ｃ】
0003547603.tif 000006
【図４】
0003547603.tif 000007
【図５】
0003547603.tif 000008
【図６】
0003547603.tif 000009
【図７】
0003547603.tif 000010