(57)【要約】【課題】  繊維強化複合材料の蛇行状態を定量的に評価可能な定量化方法が求められていた。【解決手段】  手法１から手法６を有する炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。手法１：Ｘ線ＣＴで炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の位置を測定する。手法２：観察画像を二値化処理し、炭素繊維とマトリクス樹脂のデータを切り分け、炭素繊維のデータを抽出する。手法３：異常値と考えられる炭素繊維を除去する。手法４：炭素繊維がＺ軸に対して最も短い距離となるｄを算出する。手法５：定量化値Ｃを算出する。手法６：測定範囲に存在する全ての炭素繊維に対して定量化値Ｃを算出し、定量化値Ｃの平均値を求める。【選択図】  図１
2018159691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手法１から手法６を有する炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
手法１：Ｘ線ＣＴでＺ軸を設定して炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の位置を測定する。
手法２：観察画像を二値化処理し、炭素繊維とマトリクス樹脂のデータを切り分け、炭素繊維の実際の長さｌ、炭素繊維の始点（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、炭素繊維の終点の位置（Ｘ２、Ｙ２．Ｚ２）、前記始点から前記終点へのＸＹ面から見た角度φ、Ｚ軸とのなす角度θを抽出する。
手法３：Ｚ軸とのなす角θが明らかに異常値と考えられる炭素繊維を除去する。
手法４：炭素繊維がＺ軸に対して最も短い距離となるｄを算出する。
手法５：Ｚ軸方向に対して最も力が働く時の炭素繊維の長さに対する実際の炭素繊維の長さの比を計算し、定量化値Ｃを算出する。
手法６：測定範囲に存在する全ての炭素繊維に対して定量化値Ｃを算出し、定量化値Ｃの平均値を求める。
【請求項２】
前記手法６の後に下記手法７を設けた、請求項１に記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
手法７：Ｘ線ＣＴ画像を２分割以上に分けて手法１から６を実施し、その最小値を求める。
【請求項３】
前記手法５と手法６の間に、下記手法８を設け、手法６における定量化値Ｃに変えて定量化値Ｃ’を用いる、請求項１に記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
手法８：測定した炭素繊維の長さによって定量化値Ｃに重みづけを実施して、定量化値Ｃ’を算出する。
【請求項４】
手法１において、炭素繊維強化複合材料の評価したい引張方向をＺ軸に設定する、請求項１から３のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
【請求項５】
手法３における「明らかに異常値と考えられる炭素繊維」が、θが３０°より大きい炭素繊維である、請求項１から４のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
【請求項６】
手法４におけるｄの算出が以下の計算式で行われる、請求項１から５のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
始点終点の距離Ｌ＝√（（Ｘ２−Ｘ１）２＋（Ｙ２−Ｙ１）２＋（Ｚ２−Ｚ１）２）
ｄ＝Ｌ・ｃｏｓθ
【請求項７】
手法５における定量化値Ｃの算出が以下の計算式で行われる、請求項１から６のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
定量化値Ｃ＝１／ｄ
【請求項８】
手法８における定量化値Ｃに重みづけが、以下の式で行われる、請求項１から７のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
重みづけ係数α＝（定量化するＣＦのＺ軸方向の距離）／（全ＣＦのＺ軸方向の距離の平均値）
重みづけ後の定量化値＝α・Ｃ
【請求項９】
手法７におけるＸ線ＣＴ画像の分割が４分割以上である、請求項１から８のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維強化複合材料の繊維蛇行状態を算出する手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維等の強化繊維を用いて樹脂強度を向上させた繊維強化複合材料は軽量、高強度といった特性を有するため自動車や航空機等の産業用途へ普及が進んでいる。この繊維強化複合材料は繊維の方向や状態によって強度が大きく変動する。そのため、用途に合わせて繊維の方向をそろえて作製している。しかしながら繊維充填量が６０％を超えるような繊維強化複合材料では繊維同士が干渉し合っていることもあり、樹脂を含浸させる工程等の作製工程で繊維の移動がある。そのため、繊維を完全に一方向にそろえることは困難であり、樹脂中で繊維がうねるように蛇行している。特にフィラメントワインディング法、引抜成形法の樹脂含浸時に繊維が動くような工程では、大きく蛇行する可能性がある。
繊維強化複合材料では繊維が最も伸びて引っ張られた時に最も効率よく繊維の強度が働くため、蛇行は少ない方がより高強度に繋がる。これまで、特許文献１のように繊維強化複合材料の断面画像を取出し、その画像解析から繊維角度を測定する方法が提案されている。また、特許文献２のようにＸ線回折を用いて繊維強化複合材料の繊維配向を評価する方法が提案されている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に示すような方法では繊維強化複合材料の一断面の繊維角度を評価することは可能であったが、蛇行状態を評価することができなかった。また、特許文献２に示すような方法では繊維強化複合材料の繊維配向度を評価することは可能であったが、蛇行状態を評価することはできなかった。そのため、これらの方法では繊維強化複合材料の繊維配向を評価することを目的としたものであり、本手法が目的とする繊維の蛇行状態の評価には有用ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
[特許文献１]  特開２０１３−１７８２３４号報
[特許文献２]  特開２０１６−９０２５９号報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、繊維強化複合材料中の繊維蛇行状態を評価するもので、繊維強化複合材料の強度予測、及び繊維強化複合材料の製造条件の最適化に有用な評価手法が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の要旨は、以下の（１）〜（９）に存する。
（１）  手法１から手法６を有する炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
手法１：Ｘ線ＣＴでＺ軸を設定して炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の位置を測定する。
手法２：観察画像を二値化処理し、炭素繊維とマトリクス樹脂のデータを切り分け、炭素繊維の実際の長さｌ、炭素繊維の始点（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、炭素繊維の終点の位置（Ｘ２、Ｙ２．Ｚ２）、前記始点から前記終点へのＸＹ面から見た角度φ、Ｚ軸とのなす角度θを抽出する。
手法３：Ｚ軸とのなす角θが明らかに異常値と考えられる炭素繊維を除去する。
手法４：炭素繊維がＺ軸に対して最も短い距離となるｄを算出する。
手法５：Ｚ軸方向に対して最も力が働く時の炭素繊維の長さに対する実際の炭素繊維の長さの比を計算し、定量化値Ｃを算出する。
手法６：測定範囲に存在する全ての炭素繊維に対して定量化値Ｃを算出し、定量化値Ｃの平均値 を求める。
【０００７】
（２）  前記手法６の後に下記手法７を設けた、上記（１）に記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
手法７：Ｘ線ＣＴ画像を２分割以上に分けて手法１から６を実施し、その最小値を求める。
（３）  前記手法５と手法６の間に、下記手法８を設け、手法６における定量化値Ｃに変えて定量化値Ｃ’を用いる、上記（１）に記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
手法８：測定した炭素繊維の長さによって定量化値Ｃに重みづけを実施して、定量化値Ｃ’を算出する。
【０００８】
（４）  手法１において、炭素繊維強化複合材料の評価したい引張方向をＺ軸に設定する、上記（１）から（３）のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
（５）  手法３における「明らかに異常値と考えられる炭素繊維」が、θが３０°より大きい炭素繊維である、上記（１）から（４）のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
（６）  手法４におけるｄの算出が以下の計算式で行われる、上記（１）から（５）のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
始点終点の距離Ｌ＝√（（Ｘ２−Ｘ１）２＋（Ｙ２−Ｙ１）２＋（Ｚ２−Ｚ１）２）
ｄ＝Ｌ・ｃｏｓθ
【０００９】
（７）  手法５における定量化値Ｃの算出が以下の計算式で行われる、上記（１）から（６）のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
定量化値Ｃ＝ｌ／ｄ
（８）  手法８における定量化値Ｃに重みづけが、以下の式で行われる、上記（１）から（７）のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
重みづけ係数α＝（定量化するＣＦのＺ軸方向の距離）／（全ＣＦのＺ軸方向の距離の平均値）
重みづけ後の定量化値＝α・Ｃ
（９）  手法７におけるＸ線ＣＴ画像の分割が４分割以上である、上記（１）から（８）のいずれかに記載の炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の蛇行の定量化方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、繊維強化複合材料の蛇行状態を定量的に評価することが可能になる。また、定量的に評価することで製造条件の最適化、及び適した樹脂、及び繊維の選出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】測定エリアから算出される繊維の位置情報のイメージ図である。
【図２】引抜成形法のフロー図である。
【図３】サンプルＡのＸ線ＣＴの断面画像（ＸＺ面）の図である。
【図４】サンプルＢのＸ線ＣＴの断面画像（ＸＺ面）の図である。
【図５】サンプルＣのＸ線ＣＴの断面画像（ＸＺ面）の図である。
【図６】解析を実施するエリア（ＸＹ面）の図である。
【図７】分割して画像解析を実施するエリア（ＸＹ面）の図である。
【図８】引張強度と蛇行量の関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の評価方法は、繊維強化複合材料の繊維の蛇行状態を評価する方法である。評価する繊維強化複合材料としては、特に制限はないが、例えば引き抜き成型法にて得られる炭素繊維複合材料、等が挙げられる。
本発明の評価方法は評価対象となる繊維強化複合材料をＸ線ＣＴ測定等によって繊維の位置情報を抽出し、繊維の蛇行状態を定量的に評価するものである。Ｘ線ＣＴで算出した三次元画像情報から、繊維と樹脂を切り分ける処理として二値化処理を行う。二値化処理によって得られた繊維情報から蛇行状態を定量的に評価するものである。
【００１３】
本発明の評価方法を以下に示す。
繊維強化複合材料中の繊維の位置情報を抽出するため、例えばＸ線ＣＴにて内部の観察を実施し３次元画像を導く方法がある。また、繊維の位置情報を抽出する方法は、繊維強化複合材料の断面観察、研磨、断面観察を繰り返して算出してもよい。この時、繊維強化複合材料の引張強度等の強度を測定する軸、等の蛇行を評価する方向をＺ軸にすると計算が簡便になる。蛇行する方向がＺ軸と異なる場合、補正する必要がある。
【００１４】
Ｘ線ＣＴを用いて得られた３次元画像から繊維の位置情報を抽出するため、二値化処理を実施する。この時、繊維と樹脂の画像を鮮明にするため画像処理を実施する。得られた画像は輝度分布が広い可能性があるため、輝度分布をヒストグラムで表示してその度数が０．０１％以下となる輝度を一定の輝度として上限値、下限値を決める。また、ノイズ除去としてフィルター処理を行う。フィルター処理は繊維と樹脂の境目が鮮明にするためにｍｅｄｉａｎ処理の方が好ましい。二値化は閾値によって結果が変動する懸念があるため二値化処理を実施する閾値は固定させる必要がある。二値化処理は輝度分布をヒストグラムで表示し、最も分布が大きい輝度と上限値の輝度の差の１０％を最も分布が大きい輝度に加えた値を閾値とする。
【００１５】
二値化処理によって繊維と樹脂を切り分けた後、画像処理によってノイズと考えられる小さい粒子形状を除去する。その後、図１に示すような繊維の位置情報を算出する。各位置情報は以下に示す通りになる。
始点（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、
終点（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、
ｌ：繊維の長さ、
θ：繊維のZ軸とのなす角、
φ：始点（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）から終点（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）へのＸＹ面から見た角度
【００１６】
ここでのＺ軸は引張試験方向等の蛇行を評価する方向にする。
次にθが繊維強化複合材料を作製する工程から、明らかに存在するとは考えにくいθとなる繊維は画像処理上のノイズと判断できるため、そのデータを除去する。例えば一方向に繊維を並べた一方向材や引抜成形品等で繊維配向方向の角度をθとして、θ＝０°で作製しているサンプルではθが０°から大きく変動する可能性は考えにくいため、θ＞３０°のデータは除去する。また、一方向に並べた繊維シートを複数積層させた繊維強化複合材料を測定する場合、蛇行を評価したい層以外のθと考えられる繊維のデータを除去する。
【００１７】
次に以下の式から、始点と終点の距離Ｌを計算し、蛇行を評価する方向に対する繊維の最短距離ｄを算出する。
始点終点の距離Ｌ＝√（（Ｘ２−Ｘ１）２＋（Ｙ２−Ｙ１）２＋（Ｚ２−Ｚ１）２）
ｄ＝Ｌ・ｃｏｓθ
ここでのｄはＺ軸に引張強度測定等の強度を測定する際に繊維に最も力が働く長さになる。
その後、以下の計算から蛇行状態を定量化する。
定量化値Ｃ＝ｌ／ｄ
【００１８】
定量化値Ｃは引張方向に対して最も力が働く時の繊維の長さに対する実際の繊維の長さの比になる。蛇行が全くなければＣは１になり、蛇行が大きければ１よりも大きくなる。
全ての繊維で定量化を実施し、平均する。この結果が評価するエリアの蛇行の定量化値になる。この時、長い繊維と短い繊維が混在している。長い繊維の方が強度への寄与は大きいため、それぞれの繊維に重みづけをして補正を実施する。
【００１９】
補正は以下の式で実施する。
重みづけ係数α＝定量化するＣＦのＺ軸方向の距離／全ＣＦのＺ軸方向の距離の平均値
重みづけ後の定量化値＝α・Ｃ
【００２０】
重みづけを実施した繊維の定量化値を全ての繊維で計算し、平均する。その結果を蛇行の定量化とする。
【００２１】
蛇行の定量化は広いエリアで実施するよりも２分割以上の複数のエリアに分割し、その最小値を用いた方がいい。これは、繊維強化複合材料は最も弱い個所から破壊が起こるため、最も蛇行が大きい場所から破壊すると考えられる。複数に分割した方が蛇行量と機械的特性に相関が得られる。
【実施例】
【００２２】
続いて蛇行の評価を実際のサンプルについて行った。
サンプルは蛇行、及び引張強度の異なるサンプルＡ、Ｂ、Ｃを用いて行った。
サンプル作製方法
【００２３】
評価には炭素繊維ＴＲ５０Ｓ−１２Ｌ（三菱レイヨン（株）製）、を引抜成形で作製したサンプルを用いた。引き抜き成形の樹脂はｊＥＲ８２８（三菱化学（株）製）１００質量部に、硬化剤ＬＳ−８１Ｋ（Ｌｉｎｄａｕ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ製）１００質量部を均一に混合したものを用いた。引抜成形は次の手順で行った。図２に引き抜き成形のフローを示す。ボビンから取り出した炭素繊維を樹脂含浸浴を通過させて樹脂を含浸させ、続いて１７０℃に熱した金型（幅１５ｍｍ×厚み４ｍｍ×長さ５０ｍｍ）を通過させて硬化する（引抜速度０．２ｍ／ｍｉｎ）。サンプルは炭素繊維の体積含有率Ｖｆ＝７０％となるように作製した。
【００２４】
以上のような作製方法でサンプルＡは引抜張力を６００ｋｇｆ／ｍ、サンプルＢは３００ｋｇｆ／ｍ、サンプルＣは１００ｋｇｆ／ｍで引抜成形品を作製した。
サンプルは２６０ｍｍの長さで切り出し、両端にタブを取り付けて引張強度を測定した。各サンプルの引張強度はサンプルＡ：２６００ＭＰａ、サンプルＢ：２４００ＭＰａ、サンプルＣ：２０００ＭＰａとなった。
【００２５】
サンプルをＸ線ＣＴ（ＴＤＭ１０００Ｈ−Ｓμ：ヤマト科学株式会社製）を用いて次の条件（測定積算時間：電流１００μＡ、電圧３０Ｖ、拡大軸１０ｍｍ、積分時間１，０００秒、高精度モード１００分、）で観察し、３次元画像を抽出した。得られたＸＺ面の断面画像は図３〜５に示す通りとなった。
【００２６】
以下を判断基準としてＸ線ＣＴの断面画像から蛇行の目視評価を行った。
◎：繊維はほとんど直線で配向している。
○：繊維がやや直線から曲がった状態で配向している。
×：繊維が直線から大きく外れて配向している
蛇行の目視評価の結果サンフ゜ルＡ：◎、サンプルＢ：○、サンプルＣ：○となった。
【００２７】
実施例１
Ｘ線ＣＴの画像を画像ソフト（ＴＲＩ／３Ｄ−ＶＯＬ６４：ラトックシステムエンジニアリング株式会社製）を用いて画像処理を実施し、各繊維のデータ（炭素繊維の実際の長さl、炭素繊維の始点（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、炭素繊維の終点の位置（Ｘ２、Ｙ２．Ｚ２）、前記始点から前記終点へのＸＹ面から見た角度φ、Ｚ軸とのなす角度θ）を算出する。画像処理は以下の手順で行う。
【００２８】
１．画像解析ソフトを起動
２．３Ｄトリミングを開いてＸ線ＣＴで測定したデータを選択し全画像を選択する。輝度分布の範囲は、輝度分布をヒストブラムで表示し、０．０１％以下の度数となる結果を一定の値として上限値、下限値となるように定める。
【００２９】
３．解析前処理のウィンドウを開き、取り出した画像から解析するエリア（Ｚ軸方向は画像の端から端まで、ＸＹ面は図４に示すよう正方形で最も広いサイズ）を選択してトリミングを実施する。この時、繊維と樹脂を明確にするためｍｅｄｉａｎのチェックを入れて実施した。
４．解析を実施するエリアを選択した後、画像上途切れ途切れになっている繊維を繋がっている状態にするためＦＬＡＴＴＥＮ、２Ｄ、細硬軟混在の条件でフィルター補正を実施。
【００３０】
５．Ｍａｓｋas  ｉｍａｇｅと繊維詳細ウィンドウを開き、先ほどの１〜５5までで補正した画像を用いて二値化処理を行う。二値化はＭａｓｋ  ｉｍａｇｅウィンドウのＢｉｍａｒｉｚｅタブ、Ｌ−Ｗを選択して輝度分布のヒストグラムで最も分布が大きい輝度と上限値の輝度の差の１０％を最も分布が大きい輝度に加えた値を閾値として二値化を実施。
６．その後ノイズを除去するため、Ｍａｓｋ  ｉｍａｇｅウィンドウのＢｉｎａｒｙタブ、Ｅｒｓ  Ｓｍｌを選択し、粒子サイズ：５と入力して実行。
【００３１】
７．さらにノイズを除去するため、Ｍａｓｋ  ｉｍａｇｅウィンドウの３Ｄタブ、３Ｄ  Ｌａｂｅｌｉｎｇを選択し、微小粒子除去２０ｖｏｘｅｌと入力して実行。
８．１〜７のノイズを除去した画像を用いて繊維詳細ウィンドウの繊維ＯＫを出力先を指定して実行。
【００３２】
以上の処理を行い、炭素繊維の情報（始点（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、終点（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、ｌ：繊維の長さ、θ：繊維のＺ軸とのなす角、φ：始点（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）から終点（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）へのＸＹ面から見た角度）を抽出。得られた情報から、蛇行の定量化を行う。
【００３３】
以下の計算式から始点と終点の距離Ｌ、蛇行を評価する方向に対する繊維の最短距離ｄを算出し、蛇行量を定量化する。
Ｌ＝√（（Ｘ２−Ｘ１）２＋（Ｙ２−Ｙ１）２＋（Ｚ２−Ｚ１）２）
ｄ＝Ｌ・ｃｏｓ
定量化値Ｃ＝ｌ／ｄ
同様に全ての繊維で計算を実施し、平均する。
これらの計算をサンプルＢ、Ｃも同様に実施する。
【００３４】
実施例２
実施例１の計算結果を用いて、以下の計算を実施し、定量化した結果の重みづけを行う。
重みづけ係数α＝定量化するＣＦのＺ軸方向の距離／全ＣＦのＺ軸方向の距離の平均値
重みづけ後の定量化値＝α・Ｃ
同様に全ての繊維で計算を実施し、平均する。
これらの計算をサンプルＢ、Ｃも同様に実施する。
【００３５】
実施例３
実施例２と同様の手順で解析するエリアを図７に示すように４分割し、同様の計算を分割された各エリアで実施する。算出された４つのエリアの結果から最小値を求める。これらの計算をサンプルＢ、Ｃも同様に実施する。
実施例１〜３の結果を表１にまとめる。また、蛇行量と引張強度のグラフを図８に示す。
【００３６】
【表１】
2018159691.tif 000003
【００３７】
比較例
比較例１ではサンプルＡの断面を切り出し研磨後にその断面画像を観察するという行為を複数回試し、繊維の位置情報を抽出する方法を試みた。しかし、以下に示す問題点から測定困難として断念した。
・繊維の位置情報の精度を上げるためには研磨観察作業を複数回実施する必要があるが、１サンプル当り数時間以上の時間を要するため現実的ではない。
・繊維数が数千から数万本あるため各繊維の特定が困難。
・繊維の観察には研磨作業が必要になるが、その場合、研磨量を特定することが困難のため、観察における研磨面の深さ方向の位置の特定が困難となる。特に研磨を複数回重ねる必要があるため、より位置の特定が不明確になる。
【符号の説明】
【００３８】
１．繊維
２．繊維のZ軸とのなす角θ
３．評価する繊維をＸＹ面から見た角度φ
４．Ｚ軸方向の繊維の距離ｄ
５．ボビン
６．炭素繊維
７．樹脂
８．樹脂含浸浴
９．金型
１０．キャタピラ（ライン駆動装置）
１１．蛇行量評価エリア
【図１】
2018159691.tif 000004
【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】
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【図７】
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【図８】
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