(57)【要約】【課題】本発明は、材料強度に及ぼす環境効果を解明すべく試行錯誤を重ねた結果、実際の機械および構造材料が置かれている温度における負荷試験の試験速度を変えることにより機械および構造材料の強度が変わるという知見からなされたものであり、機械および構造材料の長期間にわたる必要十分な安全性をもたせた環境強度評価装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の環境強度評価装置は、実機の使用環境を模擬した雰囲気中で、供試材に応力を負荷することにより環境強度を評価する装置において、応力負荷速度を制御する手段および雰囲気温度を制御する手段を設け、供試材に応力を負荷する速度および供試材の温度がそれぞれ異なる状態において供試材の強度を評価するようにしたことを特徴としている。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実機の使用環境を模擬した雰囲気中で、供試材に応力を負荷することにより環境強度を評価する装置において、応力負荷速度を制御する手段および雰囲気温度を制御する手段を設け、供試材に応力を負荷する速度および供試材の温度がそれぞれ異なる状態において供試材の強度を評価するようにしたことを特徴とする環境強度評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料強度に及ぼす環境効果を解明するための環境強度評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境強度に関する従来技術としては、応力腐食割れ試験装置（以下「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）が知られている。特許文献１記載の応力腐食割れ試験装置は、カバーを装着した試験片の上下両端を、上下つかみ装置にそれぞれ取り付け、その後、腐食性の流体を供給する流体供給装置を作動させ、カバー内に所定の流体を循環させて供給すると共に、荷重負荷部材を適当に上昇させ、試験片に所定の初期引張荷重を負荷し、時間の経過に応じて減少する荷重の割合から、試験片に生じる亀裂の進展を定量的又は定性的に判定するものである。
【０００３】
また、耐環境性評価手法に関する従来技術としては、応力負荷耐環境性評価法（以下「従来技術２」という。例えば、特許文献２参照。）が知られている。特許文献２記載の応力負荷耐環境性評価法は、試料に曲げ応力を負荷する治具と、治具を内部に収納できる容器をもち且つ容器内雰囲気の温度、圧力および組成を調整できる疑似環境再現装置と、治具に荷重する荷重装置とから成る応力負荷耐環境性評価装置を用いて、試料に曲げ応力を負荷した状態で耐環境性を評価する手法である。
【特許文献１】特開平３−２８７０４６号公報
【特許文献２】特開平１０−１８５７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術１の応力腐食割れ試験装置は、腐食性雰囲気の中で試験片に荷重を負荷し、時間の経過に応じて減少する荷重の割合から、試験片に生じる亀裂の進展を判定するものであって、実際の機械および構造材料が置かれている環境、例えば、負荷状況および温度等の条件を考慮したものではない。
また、従来技術２の応力負荷耐環境性評価法は、温度、圧力および組成を調整できる容器内雰囲気において試料に曲げ応力を負荷した状態で耐環境性を評価するものであって、温度、圧力および組成を調整する点において従来技術１よりも進展しているが、実際の機械および構造材料が置かれている負荷状況および温度等を複合的に考慮したものではない。
【０００５】
本発明は、材料強度に及ぼす環境効果を解明すべく試行錯誤を重ねた結果、実際の機械および構造材料が置かれている温度における負荷試験の試験速度を変えることにより機械および構造材料の強度が変わるという知見からなされたものであり、機械および構造材料の長期間にわたる必要十分な安全性をもたせた環境強度評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明の環境強度評価装置は、実機の使用環境を模擬した雰囲気中で、供試材に応力を負荷することにより環境強度を評価する装置において、応力負荷速度を制御する手段および雰囲気温度を制御する手段を設け、供試材に応力を負荷する速度および供試材の温度がそれぞれ異なる状態において供試材の強度を評価するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）実際の機械および構造材料が置かれている温度における負荷状況に対応した試験速度により機械および構造材料の強度の評価を行うことにより、従来の環境強度評価手法にはない要素からの評価を可能とすることができる。
（２）機械および構造材料の実環境に即した強度評価を可能とすることにより、機械および構造材料の長期間にわたる必要十分な安全性をもたせた環境強度評価装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る環境強度評価装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。  
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明に係る環境強度評価装置の一例を示す３点曲げ試験装置を説明する概略図である。
３点曲げ試験装置の上部機枠１と下部機枠２との間に配設されたねじ桿３が、モータなどの駆動機１３の回転駆動により、ねじ桿３に螺合する駆動ナット４が固定されたクロスヘッド５が上下動し、クロスヘッド５にロードセル６を介して連接する押圧用治具７の先端に固定された圧子８が供試材としての固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の基幹部品であるセパレータ材１０に対して押圧の負荷を与える。
一方、セパレータ材１０は、３点曲げ試験装置の下部機枠２の中央に配置された曲げ試験用治具９の凹部が形成された上面中央に配置される。
【００１０】
セパレータ材１０は、プロトン（Ｈ＋）導電型の固体高分子膜の場合、セル内の雰囲気は、非常に強い酸性となっているため、セパレータ材として使用される材料は制限される。ＰＥＦＣ用セパレータ材料としては、サブミクロンからミクロンオーダーのカーボン（黒鉛）粉末と樹脂の複合材料をプレス成型あるいは射出成型によって作成するカーボン樹脂モールドセパレータが生産されている。このタイプは、加工速度を速め、生産性を高めて、大幅なコストダウンを狙えるところまできている。以下、カーボン樹脂モールドセパレータを単に「セパレータ材」という。
【００１１】
押圧の負荷を受け変形するセパレータ材１０の反力は、押圧用治具７と連接するロードセル６で検出され、荷重アンプ１１を介して制御装置１２に、セパレータ材１０に加えられた荷重データとして入力される。また、圧子８の変位は、クロスヘッド５のストロークが割り当てられ、そのストロークは、ねじ桿３の回転量、即ち、駆動機１３の回転量に基づいて、制御装置１２で検出される。同様に、圧子８の速度もねじ桿３の回転速度、即ち、駆動機１３の回転速度に基づいて、制御装置１２において制御および検出される。この制御装置１２には出力装置１４が備えられており、荷重データおよび変位データの出力が可能である。
また、セパレータ材１０の周囲には、加熱手段１５が設けられており、セパレータ材１０の温度は温度検出手段１６により検出される。このため、図示しない温度制御器により、セパレータ材１０の温度は任意の値に設定可能である。
【００１２】
セパレータ材１０から形成された供試材の寸法は、３×１５×５０ｍｍの短冊形状である。曲げ試験用治具９のスパン長さは４０ｍｍ、クロスヘッド５のスピードは、０．２、０．０２、０．０１および０．００５ｍｍ／ｍｉｎの４種類を行った。３点曲げ試験は、該試験装置に付属した熱風循環式オーブンの中で実施した。試験温度は、室温（ＲＴ）の他に実際の発電温度に相当する９０℃と、次世代型電池で想定される１２０℃で行った。なお、材料試験は温度制御器で目的の温度に到達して３０分後に開始した。
【００１３】
図２および図３は、異なったクロスヘッドスピードで試験したセパレータ材１０の曲げ試験における応力歪曲線の試験温度依存性を示したものである。供試材としてのセパレータ材１０の室温ＲＴにおける曲げ強度の平均値は約５０ＭＰａ、弾性率は１６ＧＰａであった。
図２に示すように、クロスヘッド５のスピードが０．２ｍｍ／ｍｉｎのとき、曲げ強度および弾性率の両方は、試験温度の上昇とともに低下する傾向が観察された。他方、図３に示すように、クロスヘッド５のスピードが０．００５ｍｍ／ｍｉｎのときになると、曲げ強度は測定温度が高くなるにつれて減少するが、応力−歪曲線の初期勾配は、むしろ高くなっている。
【００１４】
曲げ変形が試験温度やクロスヘッドスピードの影響を受けることから、曲げ強度を供試材への応力負荷速度に対して整理することとし、図４に、応力負荷速度ｄσ／ｄｔと曲げ強度Ｓの対数プロットを示す。図３の横軸の左側にいくに従い応力負荷速度が遅く、すなわち、負荷が長い時間作用することを、一方、横軸の右側にいくに従い応力負荷速度が速く、すなわち、負荷が短い時間作用することを示している。図からわかるように、室温ＲＴにおける曲げ強度は、クロスヘッドスピードの影響をわずかながら受けている。
試験温度が９０℃から１２０℃と高くなると、クロスヘッドスピードが遅いときに曲げ強度の値が小さくなる傾向が顕著になっている。事実、対数プロットの傾きｍが試験温度が高くなるほど大きな値となっていることが分かる。これは、高温という環境下で応力の負荷によって材料の劣化が加速したしたことに起因するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る環境強度評価装置の一例を示す３点曲げ試験装置を説明する概略図である。
【図２】０．２ｍｍ／ｍｉｎのクロスヘッドスピードで試験したセパレータ材の曲げ試験における応力歪曲線の試験温度依存性を示した図である。
【図３】０．００５ｍｍ／ｍｉｎのクロスヘッドスピードで試験したセパレータ材の曲げ試験における応力歪曲線の試験温度依存性を示した図である。
【図４】応力負荷速度ｄσ／ｄｔと曲げ強度Ｓの対数プロットを示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１    上部機枠
２    下部機枠
３    ねじ桿
４    駆動ナット
５    クロスヘッド
６    ロードセル
７    押圧用治具
８    圧子
９    曲げ試験用治具
１０  セパレータ材
１１  荷重アンプ
１２  制御装置
１３  駆動機
１４  出力装置
１５  加熱手段
１６  温度検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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