(57)【要約】【課題】  繊維強化複合材に生ずる、強化繊維とマトリックス材料との間の接着性の低下による劣化を、その複合材を破壊することなく診断することができる方法を提供する。【解決手段】  繊維強化複合材１の表側面１ａに弾性体３を介して接触させた超音波探触子２から超音５が照射される。この超音波５は、裏側面１ｂに到達した後反射して表側面１ａまで戻る。その間に、超音波は、劣化した繊維強化複合材１に散在する微細な強化繊維とマトリックス材料との剥離部分により、散乱を受けて次第に減衰する。減衰後の超音波エコー６は超音波探触子２で検出されることとなる。超音波は表側面１ａと裏側面１ｂとの間を往復するため、繊維強化複合材１に劣化が生じていない場合と同様に時間２ｔ後に計測される。しかし、剥離部分を通過した超音波エコーの強度は散乱により剥離部分がない場合より小さくなっているため、これにより繊維強化複合材１の劣化を診断することが可能となる。【選択図】  図１
2008096340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材の劣化診断方法であって、該繊維複合材の表面から超音波を照射して、前記繊維複合材を通過した後の減衰後の超音波エコーの強度を測定し、該超音波エコーの減衰の大きさに基づいて、該繊維複合材の劣化の程度を判断する繊維強化複合材の劣化診断方法。
【請求項２】
繊維強化複合材の劣化診断方法であって、該繊維複合材の一方の面から超音波を照射して、該繊維複合材の他方の面で前記超音波が反射されて前記一方の面に戻ってきた減衰後の超音波エコーの強度を測定し、該超音波エコーの減衰の大きさに基づいて、前記繊維複合材の劣化の程度を判断する繊維強化複合材の劣化診断方法。
【請求項３】
前記繊維強化複合材が、繊維強化プラスチック、繊維強化金属、又は繊維強化セラミックスである請求項１又は２記載の繊維強化複合材の劣化診断方法。
【請求項４】
前記繊維強化複合材が、繊維強化プラスチックである請求項３記載の繊維強化複合材の劣化診断方法。
【請求項５】
前記超音波の周波数が、１〜１０ＭＨｚである請求項４記載の繊維強化複合材の劣化診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材の劣化診断方に関し、より詳細には、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、繊維強化金属（ＦＲＭ）又は繊維強化セラミックス（ＦＲＣ）等の繊維強化複合材における繊維とマトリックス材料との接着性の低下により生ずる繊維強化複合材の劣化を診断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マトリックス樹脂をガラス繊維で強化した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の繊維強化複合材は、軽量で耐熱性、耐久性等に優れているという特徴を有している。この特長を生かし、種々の構造物として広汎に使用されている。
【０００３】
しかし、このような特徴を有するＦＲＰであっても、長期に使用されると、内部に傷が発生したり、ガラス繊維とマトリックス樹脂との接着性の低下による劣化が生じ、その機械的強度が低下することが知られている。単なる金属材料の場合、その腐食による劣化は板厚の減少として捉えることができるが、ＦＲＰのような繊維強化複合材の劣化は、板厚の減少として捉えることができない。このような傷やガラス繊維とマトリックス樹脂との接着性の低下は、構造物自体の崩壊という事態を生じるため、その診断方法が種々検討されている。
【０００４】
複合材の内部の傷の診断方法として、超音波探傷という技術が知られている。この超音波探傷技術では、図１に示す複合材１の表側面１ａに超音波探触子２をゴムなどの弾性体３を介して接触させ、超音波探触子２から超音波が照射波５として照射される。この照射波５は、複合材１の内部に傷などがない場合には、裏側面１ｂに到達し、ここで反射されて表側面１ａまで戻り、計測波６が超音波探触子２において検出される。一方、複合材１の内部に傷７がある場合、照射波８は裏側面１ｂに到達する前に傷７で反射され、傷７がない場合より短い時間で表側面１ａまで戻り、計測波９として超音波探触子２で検出されることとなる。
【０００５】
図２は、上述の傷７がある場合とない場合とについて、計測波が検出されるまでの時間の違いを表す概念図である。同図に於いて、横軸は超音波照射開始からの経過時間であり、縦軸は超音波エコーの強度を表している。上述の傷７がない場合（図１の右側）、計測波６は超音波が表側面１ａと裏側面１ｂとの間を往復する時間２ｔ後に計測される（図２のＡ）。一方、傷７がある場合（図１の左側）、計測波は超音波が表側面１ａから裏側面１ｂに達する前に傷７によって反射されるため、往復時間２ｔより早い時間に計測波が検出されることとなる（図２のＢ）。
【０００６】
このように、複合材の内部の傷の有無は、超音波照射後、計測波が計測されるまでの時間により診断することができる。しかし、この超音波を用いた探傷技術によってはガラス繊維とマトリックス樹脂との接着性の低下による劣化を診断することはできず、例えば、外観の白化の有無を目視観察により判断する等の方法に頼らざるを得ないのが実情である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するために為されたものであり、本発明の目的は、繊維強化複合材に生ずる、強化繊維とマトリックス材料との間の接着性の低下とそれによる機械的強度の低下を、その複合材を破壊することなく診断することができる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の繊維強化複合材の劣化診断方法は、該繊維複合材の表面から超音波を照射して、前記繊維複合材を通過した後の減衰後の超音波エコーの強度を測定し、該超音波エコーの減衰の大きさに基づいて、該繊維複合材の劣化の程度を判断することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の繊維強化複合材の劣化診断方法は、該繊維複合材の一方の面から超音波を照射して、該繊維複合材の他方の面で前記超音波が反射されて前記一方の面に戻ってきた減衰後の超音波エコーの強度を測定し、該超音波エコーの減衰の大きさに基づいて、前記繊維複合材の劣化の程度を判断することを特徴とする。
【００１０】
強化繊維とマトリックス材料との間に剥離が生ずる等により接着性が低下すると、その部分で超音波は散乱を受ける。この剥離部分の一つ一つは小さいため、超音波の散乱も小さい。しかし、繊維複合材の多くの部分で生じていると、繊維複合材全体に亘る散乱は大きなものとなる。従って、剥離が生じている繊維複合材を通過した後の超音波エコーの強度を測定し、その減衰の大きさを、剥離が生じていない繊維複合材を通過した後の超音波エコーの強度と比較することにより、接着性の低下による劣化を捉えることが可能となる。
【００１１】
前述の図１及び図２を用いて本発明の原理を説明する。前述と同様に、繊維強化複合材１の表側面１ａに弾性体３を介して接触させた超音波探触子２から超音波５が照射される。この照射波５は、図１の右側に示すように、裏側面１ｂに到達した後反射して表側面１ａまで戻るが、その間に劣化した繊維強化複合材１に散在する微細な強化繊維とマトリックス材料との剥離部分により散乱を受けて次第に減衰する。このように減衰した後の超音波エコー６が超音波探触子２で検出されることとなる。
【００１２】
超音波は表側面１ａと裏側面１ｂとの間を往復するため、図２に示すように、繊維強化複合材１に劣化が生じていない場合（同図Ａ）と同様に時間２ｔ後に計測される（同図Ｃ）。しかし、その強度は、散乱により減衰しているため、劣化が生じていない場合より小さくなっている。このようにして、本発明では超音波エコーの減衰により、繊維強化材料の劣化が診断される。
【００１３】
本発明の方法は、マトリックス材料中に強化繊維を埋め込んだ複合材料であれば適用することができ、例えば、繊維強化プラスチック、繊維強化金属、繊維強化セラミックス等に適用することが可能である。
【００１４】
特に、本発明は、繊維強化複合材のなかでも、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）に好適に使用することができる。その場合の好ましい超音波の周波数は、１〜１０ＭＨｚである。この範囲を外れると、実質的にＦＲＰの劣化を検出することができなくなる。
【００１５】
なお、診断に用いる超音波の周波数は、適用する繊維強化複合材の種類によって適宜変更することが必要である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の繊維強化複合材の劣化診断方法によれば、これまで不可能であった強化繊維とマトリックス材料との間の接着性の低下による劣化を診断することが可能となる。しかも、これまでの外観観察では行い得なかった内部の劣化診断を非破壊で行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の繊維強化複合材の劣化診断方法の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（ＦＲＰ供試サンプルの作製）
マトリックス樹脂としてノボラック型ビニルエステル（ガラス転移温度１５０℃）を用い、ＦＲＰの供試サンプルをハンドレイアップ法により作製した。積層構成はＳＭ／Ｍ／Ｒ／Ｍ2とした（ＳＭ：サーフェイシングマット（３０ｇ／ｍ2）、Ｍ：チョップトストランドマット（４５０ｇ／ｍ2）、Ｒ：ロービングクロス（５８０ｇ／ｍ2）。その結果、板厚は３．５ｍｍ〜４．０ｍｍとなった。
【００１９】
（促進劣化）
ＦＲＰの実際での使用温度を考慮して、９０℃、１３０℃及び１５０℃の３水準で温水劣化試験を行った。
【００２０】
９０℃での促進劣化は、蒸留水を満たした恒温水層に供試サンプルを浸漬することにより行った。１３０℃での促進劣化は、密閉状態にしたステンレス製のパイプに蒸留水と供試サンプルとを入れて１３０℃の乾燥機中に保持して行った。１５０℃での促進劣化は、オートクレーブ内に蒸留水と供試サンプルとを保持して行った。劣化時間は、２０時間、５００時間、１０００時間及び２０００時間とした。
【００２１】
（超音波減衰測定）
以下の装置及び条件で、初期及び促進劣化後の供試サンプルを水に浸漬して超音波パルスを照射することにより超音波減衰測定を行った。
【００２２】
超音波測定装置：Ｃ−ＳＣＡＮ、(株)ジーネス製
探触子：Ｂ５Ｋ６．４Ｉ、５ＭＨｚ
感  度：−７ｄＢ
水距離：ＷＬ＝３４ｍｍ
探傷ピッチ：０．５×０．５ｍｍ
監視範囲：２．７〜４．２ｍｍ
音速：２７００ｍ／秒
得られた超音波減衰測定の結果は、図３に示すように、供試サンプル上の各位置に於ける色の濃淡として視覚化した。図３に於いて、色の濃い部分が超音波の減衰が大きいことを示している。
【００２３】
（引張り強度及び曲げ強度）
初期並びに９０℃、１３０℃及び１５０℃の促進劣化後の供試サンプルについて、引張り強度及び曲げ強度を測定した。引張り強度は、ＪＩＳ  Ｋ７０５４に従って、また、曲げ強度は、ＪＩＳ  Ｋ７０１７に従って測定した。
【００２４】
（劣化診断）
初期並びに９０℃、１３０℃及び１５０℃の促進劣化後の供試サンプルについての超音波減衰測定の結果をもとに、反射後の超音波強度（エコー高さ）の供試サンプル全面に亘る平均値と、引張り強度の測定結果との関係を調べ、その結果を図４に示した。同様に、反射後の超音波強度（エコー高さ）の供試サンプル全面に亘る平均値と、曲げ強度の測定結果との関係を調べ、その結果を図５に示した。
【００２５】
図４及び図５から明らかなように、反射後の超音波強度と引張り強度の測定結果との間には、明らかな相関が認められることが分かる。同様に、反射後の超音波強度と曲げ強度の測定結果との間にも、明らかな相関が認められることが分かる。従って、本発明の方法によれば、繊維強化複合材の劣化を診断することができることが分かる。しかも、繊維強化複合材を破壊することなく診断することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の繊維強化複合材の劣化診断方法は、構造材として使用されるＦＲＰ等の繊維強化複合材の劣化診断を非破壊で行うことができるので、種々の分野で産業で利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】超音波を用いた複合材の診断原理を示す概念図である。
【図２】図１に於ける超音波照射後の経過時間と、反射後の超音波が検出されるまでの時間との関係を示す概念図である。
【図３】供試サンプル上の各位置に於ける超音波の減衰の大きさを、色の濃淡として視覚化した図である。
【図４】図３の超音波減衰測定の結果をもとにして求めた反射後の超音波強度（エコー高さ）の供試サンプル全面に亘る平均値と、引張り強度の測定結果との関係を調べた結果を示す図である。
【図５】図３の超音波減衰測定の結果を基にして求めた反射後の超音波強度（エコー高さ）の供試サンプル全面に亘る平均値と、曲げ強度の測定結果との関係を調べた結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  複合材
１ａ  表側面
１ｂ  裏側面
２  超音波探触子
３  弾性体
７  傷
【図１】
2008096340.tif 000003
【図２】
2008096340.tif 000004
【図４】
2008096340.tif 000005
【図５】
2008096340.tif 000006
【図３】
2008096340.tif 000007