(57)【要約】      （修正有）【課題】非導電性の母材内に埋め込まれた繊維複合材個体内の欠陥の位置を決定する方法を提供する。【解決手段】母材１５内に埋め込まれた繊維複合材個体１０内の欠陥３２の位置を決定するために、繊維１４と電気的に接触する離間した電気的接点１２ａ〜１２ｋのアレイを用意する工程と、個体の電気的な抵抗、インダクタンス、静電容量および自己共振周波数のうちの少なくとも１つの測定値を含む個体の測定電気特性を決定するために、アレイの２つ以上の離間した電気的接点１２ａ〜ｋ間に通電させる工程と、個体内の欠陥の存在を決定するために、電気特性と、損傷のない個体を代表する公称電気特性と、を比較する工程と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非導電性の母材内に埋め込まれた複数の導電性繊維を含む繊維複合材個体内の欠陥の位置を決定する方法であって、
前記個体の繊維と電気的に接触する離間した電気的接点のアレイを用意する工程と、
前記個体の電気的な抵抗、インダクタンス、静電容量および自己共振周波数のうちの少なくとも１つの測定値を含む前記個体の測定電気特性を決定するために、前記アレイの２つ以上の離間した電気的接点間に通電させる工程と、
前記個体内の欠陥の存在を決定するために、前記電気特性と、損傷のない個体を代表する公称電気特性と、を比較する工程と
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記導電性の繊維が炭素繊維を含む
方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方法であって、
前記非導電性の母材は、熱硬化樹脂などの重合体を含む
方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法であって、
前記非導電性の母材は、エポキシ、フェノール、ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂およびウレタンのうちの１つ以上を含む
方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の方法であって、
前記繊維複合材個体は、複数の繊維層を備える
方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の方法であって、
前記電気的接点のアレイは、はんだ接点を備える
方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記はんだは、Ｃ−Ｓｏｌｄｅｒ（商標）、錫、鉛、ビスマス、アンチモン、銀、インジウム、亜鉛または銅ベースのはんだのうちの１つ以上を含む
方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の方法であって、
複数の繊維層を通る穴を掘削する工程と、
前記穴内へ溶融はんだを塗布する工程と
を備える方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の方法であって、
前記電気的接点のアレイは、分離された繊維層に電気的に接続された少なくとも第１および第２の接点を備える
方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
前記第１および第２の接点は、各繊維層の平面内で互いに離間されている
方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の方法であって、
前記電気特性を決定する工程は、前記第１の接点と前記第２の接点との間のさらなる電気的接続部を用意する工程と、前記第１の接点と前記第２の接点との間の抵抗、静電容量およびインダクタンスのうちの１つを決定する工程と、を備える
方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、
前記第１の電気的接点と前記第２の電気的接点との間の前記複合材料内の第１の電気的パスを決定する工程と、
前記第１および第２の接点の前記決定された電気特性が、前記公称電気特性と異なる場合に、前記電気的パスに沿って欠陥が存在すると決定する工程と
を備える方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記第１の電気的パスと交差する、前記複合材成分を通る第２の電気的パスを形成する、前記第１および第２の接点から離間された少なくとも第３および第４の電気的接点を用意する工程を備える
方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
前記第１および第２の接点、ならびに、前記第３および第４の接点の前記決定された電気特性が、両方とも前記公称電気特性と異なる場合に、前記第１および第２のパスの前記交差点のところに欠陥が存在すると決定する工程を備える
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、繊維複合材料の検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの繊維複合材料は、母材内に埋め込まれた複数の繊維を含む。ＣＦＲＰの場合、繊維は、炭素繊維を含み、一方、母材は、硬化性樹脂を含む。複合材は、その成分の強度を超える強度などのバルク材特性を有する。
【０００３】
そのような材料は、アルミニウムなどの多くの従来の航空宇宙材料よりも大きい強度重量比を有する。さらに、複合材料は、腐食の影響をより受けにくい。しかし、繊維複合材の成分への損傷は、なお起こり得る。
【０００４】
繊維複合材料内の欠陥を検出するために、いくつかの方法が提案されてきた。これらには、Ｘ線および超音波走査ならびに磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）が含まれる。しかし、これらの技法は、多くの場合、構成部品への直接照準線を必要とし、構成部品をより大きな部分組立体から取り外さずに検査することが難しい。さらに、Ｘ線、超音波およびＭＲＩ機器は、比較的大きいことが多く、現場での検査が現実的でない。使用中の歪みを検出する搭載型センサ（例えば、レーザ回折センサ）が設けられることも公知である。しかし、この方法は、重く、高価であり、実際の損傷よりもむしろ歪みだけを検出する。同様に、複合部分が複数の材料層を含む場合、欠陥は表面の下に隠れている可能性があるので、外観検査は不適切である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明は、上述の問題を克服するための、繊維複合材料内の欠陥の検出方法を提供することを目指している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、非導電性の母材内に埋め込まれた複数の導電性繊維を含む繊維複合材個体内の欠陥の位置を決定する方法が提供される。この方法は、
個体の繊維と電気的に接触している離間した電気的接点のアレイを用意する工程と、
個体の電気的な抵抗、インダクタンス、静電容量および自己共振周波数のうちの少なくとも１つの測定値を含む個体の測定電気特性を決定するために、アレイの２つ以上の離間した電気的接点間に電流を通電させる工程と、
個体内部の欠陥の存在を決定するために、電気特性と、損傷のない個体を代表する公称電気特性と、を比較する工程と、を備える。
【０００７】
有利なことに、測定電気特性と、損傷のない部分の公称特性と、の比較から、損傷を容易に検出できる。本方法は再現性が高く、このため、その部分への直接照準線を必要とせず、一方、比較的安価である。
【０００８】
導電性繊維は、炭素繊維などの非金属の繊維を含んでいてもよく、非導電性の母材は、熱硬化樹脂（例えば、エポキシ、フェノール、ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂、ウレタン）などの重合体を含んでいてもよい。
【０００９】
繊維複合材の個体は、複数の繊維層を備えていてもよい。各々の繊維層は、複数の織られた繊維を含んでもよい。
【００１０】
電気的接点のアレイは、はんだ接点を備えてもよい。はんだ接点は、Ｃ−Ｓｏｌｄｅｒ（商標）、錫、鉛、ビスマス、アンチモン、銀、インジウム、亜鉛または銅ベースのはんだのうちの１つまたは複数などの低温はんだを含み得る。はんだ接点は、導電性繊維に結合されたはんだを含んでもよい。
【００１１】
本方法は、複数の繊維層を通る穴を掘削する工程と、その穴の内部へ溶融はんだを塗布する工程と、を備えていてもよい。有利なことに、各接点は、異なる配向を有し得る複数の炭素繊維層に電気的に接続される。
【００１２】
電気的接点のアレイは、分離された繊維層に電気的に接続された少なくとも第１および第２の接点を備えていてよく、それらは、各繊維層の平面内で互いに離間していてもよい。
【００１３】
電気特性を決定する工程は、第１の接点と第２の接点との間のさらなる電気的接続を提供する工程と、第１の接点と第２の接点との間の抵抗、静電容量およびインダクタンスのうちの１つを決定する工程と、を備えていてもよい。
【００１４】
本方法は、第１の電気的接点と第２の電気的接点との間の複合材料内の第１の電気的パスを決定する工程と、決定された第１および第２の接点の電気特性が公称電気特性と異なるとき、電気的パスに沿った欠陥が存在すると決定する工程と、を備えていてもよい。
【００１５】
本方法は、第１の電気的パスと交差する、複合材成分を通る第２の電気的パスを形成する、第１および第２の接点から離間した少なくとも第３および第４の電気的接点を用意する工程を備えていてもよい。
【００１６】
本方法は、第１および第２の接点ならびに第３および第４の接点の決定された電気特性が、両方とも公称電気特性と異なるとき、第１および第２のパスの交差点のところに欠陥が存在すると決定る工程を備えていてもよい。経時的な２点間の電気的特性の階段状変化の差は、損傷または欠陥の存在を示す。
【００１７】
電流は、ＤＣ電流およびＡＣ電流の一方を含んでもよい。ＤＣ電流が使用される場合、バルク材特性を決定するために、電気抵抗を容易に測定することができる。一方、ＡＣ電流が使用される場合、（インダクタンスおよび静電容量の）並列共振、インピーダンス、共振およびアドミッタンスのうちの１つ以上を決定するために、インダクタンスおよび静電容量のうちの一方または両方が決定されてもよい。
【００１８】
互いに排他的である場合を除き、上述の態様のうちのいずれか１つについて説明した特徴が、他の任意の態様に必要な変更を加えて適用され得ることが、当業者には理解されよう。さらに、互いに排他的である場合を除き、本明細書で説明した任意の特徴は、任意の態様に適用されることができ、および／または、本明細書で説明した他の任意の特徴と組み合わされてもよい。
【００１９】
一実施形態について、単なる一例として、図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】欠陥検出装置を備える複合材成分の平面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａを通る、図１の成分の断面図である。
【図３】接点のアレイ間の複数の電気的パスを示す図１の複合材成分の平面図である。
【図４】欠陥を有する図１の複合材成分の平面図である。
【図５】図１の線Ａ−Ａに沿った、図１の複合材成分の断面図である。
【図６】図６ａ〜６ｃは、電気的接点形成プロセスの第１、第２、第３の工程での複合材成分の断面図を示す。
【図７】複合材成分中の欠陥を検出する方法を示す処理フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図を参照すると、図１〜５で示した複合材個体１０の欠陥を検出する方法が提供される。この方法は、図６で概略を説明する。
【００２２】
図１および図２を参照すると、個体１０は、複合材料を含む。この複合材料は、エポキシなどの重合体熱可塑性物質を含む母材１５内に埋め込まれた複数の導電性非金属繊維（例えば、炭素繊維１４）を含む。炭素繊維１４は、複数の略平坦な層１６ａ，１６ｂ内に配置される。各層１６ａ，１６ｂ内の繊維は、繊維１４が層１６ａ〜ｄそれぞれの平面と整合された長軸を有するように配置される。隣接する層１６ａ，１６ｂ内の繊維は、概ね、互いに対して所定角度（例えば、９０度および４５度）で配向させられるが、他の相対的配向が提供されてもよい。場合によっては、層内の繊維は、織られていてもよく、繊維の約半分が層１６ａ，１６ｂの平面に平行な第１の方向に配向され、残りの繊維が層１６ａ，１６ｂの平面に対して整合されるとともに、繊維１４の残りの半分に対して垂直に整合される。そのような場合、隣接する層の繊維は、互いに対して約４５度で配置される。したがって、層１６の平面に平行な方向におけるバルク材強度は向上する。炭素繊維は、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）などのカーボンナノチューブの形態であってもよい。
【００２３】
個体１０は、離間した電気的接点１２ａ〜ｋのアレイを備えてもよい。電気的接点１２は、層１６の平面内の複合材個体１０の導電性繊維１４と電気的に接触した状態で設けられ、以下に説明するように、概して、複数の層と電気的に接触した状態で設けられる。
【００２４】
図６ａおよび図６ｂは、接点１２をより詳細に示し、安定した電気的接触を保証するために接点１２を繊維１４に結合させる方法を示している。第１の工程において、図５ａで示すように、穴１８が、個体１０内へ、層１６の平面に対して略垂直方向に、また、いくつかの層１６ａ〜ｄを通って延在する深さまで掘削される。
【００２５】
第２の工程において、ある量のはんだ２０が溶融相で穴１８内に導入される。はんだ２０は、個体１０の繊維１４との安定した電気的接触を提供するタイプのものである。多層カーボンナノチューブの計算された界面自由エネルギーは、約２０〜５０ｍＪｍ−２であり、これは、約１００〜２００ｍＮｍ−１の低表面張力を有する液体金属のみがカーボンナノチューブおよび炭素繊維の表面を濡らすことを意味する。本発明者らは、はんだ２０と繊維１４との間にもたらされる強い機械的結合、および、そのような結合によって与えられる安定した電気的接触の観点で、Ｃ−Ｓｏｌｄｅｒ（商標）として販売されている錫ベースのはんだ合金が特に適切であることを見出した。このプロセスは、各々の接点１２について繰り返される。しかしながら、錫、鉛、ビスマス、アンチモン、銀、インジウム、亜鉛または銅のいずれかをベースとするはんだなどの他の金属低温はんだが適切であり得ることが理解されよう。多層炭素繊維複合材料において、導電性は、繊維方向（Ｘ）で最も高く、横断方向（Ｙ）ではいくぶん低く、積層方向（Ｚ）で非常に低い、すなわち、層間ではほとんど導電しない。したがって、不良または欠陥を検出するために、Ｚ方向での不十分でランダムな接続に依存する必要なく、層および配向の範囲にわたって良好で平均的な導電性を得るためには、少なくとも２つ、理想的には４つの層を貫通することが好ましい。
【００２６】
ここで図３を参照すると、複数の平面内の導電パス２２が、電気的接点１２ａ〜ｊの各々の離間したペア間に形成される。導電パス２２は、第１の層１６ａの平面に沿って延在する。第１の層１６ａの平面内で接点１２ａ〜ｊが離間していることを考慮すると、複数のパス２２は、複数の交差点２４で互いに交差する。その結果、交差点２４のアレイが決定される。
【００２７】
図５を参照すると、第１の層１６ａから離間する１つまたは複数の層１６ｅと電気的に接触する１つまたは複数のさらなる電気的接点１２ｋが設けられてもよい。その結果、さらなる平面内電気的パス２６は、第１の層１６ａの導電性繊維１４と電気的に接触するように設けられる第１の接点１２ａと、さらなる層１６ｅの導電性繊維１４と電気的に接触するように設けられるさらなる接点と、の間に延在するように形成される。
【００２８】
図５に示すように、さらなる電気的接続２８が、接点１２ａと接点１２ｋとの間に設けられる。その結果、電気回路が接点１２ａ、１２ｋ、パス２６および接続部２８によって形成される。電気回路の電気的なインダクタンス、静電容量および抵抗のうちの１つまたは複数を決定するために、ＬＣＲメータ３０（電子構成部品のインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）および抵抗値（Ｒ）を測定するために使用される電子試験機器のタイプ）が設けられる。ＬＣＲメータ３０は、接続部２８と電気的接触した状態で電気回路内に設けられる。ＬＣＲメータ３０は、電源（例えば、電池、変圧器、または、電気回路によりＡＣ電流およびＤＣ電流を両方供給するように構成された可変周波数電源）と、ＬＣＲメータ３０におけるインダクタンス、静電容量、抵抗値ならびに電圧および電流をそれぞれ測定するように構成されたセンサと、を備えていてもよい。ＬＣＲメータ３０は、電気的パス３４，３６のインダクタンスおよび静電容量の相互結合および高調波動作を決定するためにＡＣ周波数の範囲を提供するために使用されてもよい。高調波によって、個体の状態が固有的に電気的に識別される。
【００２９】
いくつかの周波数において、回路は「自己共振周波数」すなわちＳＲＦを実現し、そのとき、静電容量（Ｃ）は、インダクタンス（Ｌ）と並列共振を形成し、インダクタは同調回路となる。モデルは、自己共振周波数より小さい周波数のところで誘導性を呈し、ＳＲＦより大きい周波数のところで容量性を呈し、ＳＲＦのところでは抵抗性であり、誘導性および容量性リアクタンスは、大きさが同じだが符号が逆となり、したがって、互いに打ち消し合う。
【００３０】
インダクタのＳＲＦでは、以下の条件の全てが揃う。
・入力インピーダンスがそのピークにある。
・入力インピーダンスの位相角は０となり、プラス（誘導性）からマイナス（容量性）へと交差する。
・マイナスの容量性リアクタンス（ＸＣ＝１／２πｆＣ）がプラスの誘導性リアクタンス（ＸＬ＝１／２πｆＬ）を打ち消すため、実効インダクタンスは０となり、ここで、ＸＬはプラスの誘導性リアクタンス（オーム）、ｆは周波数（ヘルツ）、Ｌはインダクタンス（ヘンリー）、ＸＣは容量性リアクタンス（オーム）、Ｃは静電容量（ファラド）である。
【００３１】
以下の方程式は、インダクタモデル回路においてＳＲＦとインダクタンスおよび静電容量とがどのように関係するのかを示す。
【数１】
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ただし、
ＦＳＲは、自己共振周波数（単位はＨｚ）である。
Ｌは、単位がヘンリーのインダクタンスである。
ＣＰは、単位がファラドの寄生静電容量である。
【００３２】
この式から、インダクタンスまたは静電容量の増大により、測定されるＳＲＦが低下することが明白である。インダクタンスまたは静電容量の低減により、ＳＲＦが増大する。静電容量は導体間の空間的な離隔距離に依存するので、構造が損傷を受けたとき、静電容量ひいてはＳＲＦも変化する。繊維が損傷または損壊したとき、インダクタンスは変化し、したがってＳＲＦも変化する。それらの両方が、材料の電気特性を変え、損傷を示す。
【００３３】
電気的接点１２ａ〜ｊの各ペア間に、さらなる電気的接続部（図示せず）が提供される。電気的接触は、同時に提供されなくてもよく、後述するように、電気特性を決定するために形成されてもよく、次いで、さらなる電気特性を決定するために遮断されることが理解されよう。再述するが、各々の場合において、ＬＣＲメータ３０は、電気的接点の対と電気的パス２２と電気的接続部とによって形成される回路と電気的に直列に設けられ、それぞれの電気回路における抵抗、インダクタンスおよび静電容量のうちの１つまたは複数を決定するために使用されてもよい。
【００３４】
ここで、図４，５，７を参照すると、個体１０内の欠陥を決定する方法は、以下のとおりである。
【００３５】
第１の工程では、損傷のない個体１０の公称電気特性が作成される。これには、電気的抵抗（ＤＣ）と、インダクタンスと、静電容量（ＡＣ）と、インダクタンスと静電容量との共振（可変周波数ＡＣ）と、が含まれる。公称電気特性は、損傷のない個体の各電気的パス２２，２６の電気的特性の測定値のアレイが含まれる。ＬＣＲメータ３０は、それぞれの接続部２８を介して各回路に電気的に結合され、それにより、各接点対１２間の各パス２２，２６の電気的特性が決定される。
【００３６】
第２の工程では、稼働期間を経て、後続の電気特性が、上述の第１の工程を繰り返して測定値を記録することによって決定される。
【００３７】
第３の工程では、公称の（寿命開始の）電気特性および稼働実行済みの構成要素が比較される。アレイ内で成分が異なるとき、すなわち、後続の特性のパス２２，２６に沿った電気的特性が、公称特性のパス２２，２６に沿った電気的特性と異なるとき、次いで、欠陥が存在することが決定される。
【００３８】
たとえば、公称特性から測定された特性への抵抗値の変化は、１つまたは複数の損壊した繊維１４などのバルク材特性におけるの変化を示し、ＤＣ電圧の印加によって測定され得る。一方で、パス２２，２６に沿ったＡＣ電圧の印加によって、インダクタンスおよび静電容量の測定が可能になる。個体へのＡＣ電圧の可変周波数の印加によって、共振（インダクタンスと静電容量とが互いに打ち消し合うＡＣ周波数スペクトルにおけるポイント）を識別することが可能になる。これらの共振は、個体の基本特性であり、個体が損傷し劣化しているときには変化する。静電容量は導体間の空間的な離隔距離に依存するので、構造が損傷を受けたとき、静電容量ひいてはＳＲＦも変化する。繊維が損傷または損壊したとき、インダクタンスは変化し、したがって、ＳＲＦも変化する。それらの両方が、材料の電気特性を変え、損傷を示す。
【００３９】
図４は、本開示の方法を使用して、欠陥の位置がどのようにして決定され得るのかを示している。図４ａでは、欠陥３２は示された位置に位置している。上述の第１から第３の工程を実行することによって、点線で示されたパス２２の後続の電気特性が公称特性と異なり、一方、実線で示されたパス２２の後続の電気特性が公称抵抗値特性と同一の電気的特性値（すなわち、抵抗値、インダクタンスおよび静電容量の各々）を有することが決定される。したがって、欠陥３２は、接点１２の位置の情報と、後続の抵抗特性と、によって、影付きの領域内に位置することが決定され得ることが理解されよう。
【００４０】
同様に、図５は、欠陥が表面層１６ａの下方に位置していることがどのようにして決定され得るかを示している。欠陥はパス２６内に位置しているため、この場合の後続の抵抗特性の電気的特性は、公称特性の電気的特性とは異なることになり、そのため、欠陥は、この線に沿って存在することが推定され得る。本方法の空間的分解能は、さらなる接点１２を導入することによって向上され得る。
【００４１】
本発明は、上述の実施形態に制限されず、本明細書で説明した概念から逸脱することなく多様な変形例および改良を加えることができることが理解されよう。互いに排他的である場合を除き、任意の特徴は、単独で、または、他の任意の特徴と組み合わせて利用されてもよく、本開示は、本明細書で説明した１つまたは複数の特徴の組合せおよび部分的組合せにまで及び、また、それらを包含する。
【符号の説明】
【００４２】
１０  複合材個体
１２  電気的接点
１４  炭素繊維
１５  母材
１６  平坦層
１８  穴
２０  はんだ
２２  導電パス
２４  交差点
２６  電気的パス
２８  電気的接続
３０  ＬＣＲメータ
３２  欠陥
３４  電気的パス
３６  電気的パス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018066719.tif 000009
【図７】
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【外国語明細書】
2018066719000001.pdf