(57)【要約】【課題】複合材料にけるマトリックスとフィラーの界面強度を、樹脂強度と分離して、かつ容易に評価する方法を提供する。【解決手段】樹脂中に充填材が分散してなる複合材料の強度を評価する方法であって、前記複合材料の試験片に荷重を増加することによって発生するアコースティックエミッションを測定することにより界面強度を評価する評価方法であって、荷重の増加に対してアコースティックエミッションのエネルギーを連続的に測定し、荷重の増加に対してアコースティックエミッションのエネルギーの積分値が急激に増加するときの荷重を界面強度とすることを特徴とする評価方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂中にフィラーが分散してなる複合材料の強度を評価する方法であって、前記複合材料の試験片に荷重を増加することによって発生するアコースティックエミッションを測定することにより界面強度を評価する評価方法であって、荷重の増加に対してアコースティックエミッションのエネルギーを連続的に測定し、荷重の増加に対してアコースティックエミッションのエネルギーの積分値が急激に増加するときの荷重を界面強度とすることを特徴とする評価方法。
【請求項２】
前記樹脂が熱硬化性樹脂である請求項１に記載の評価方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料におけるマトリックスとフィラーの界面強度の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は要求される特性向上のためフィラーを含有する。要求される特性の一つに機械的強度がある。フィラーが機械的強度の向上に寄与するためには、フィラー自体の特性、形状は勿論であるが、フィラーとそれを含有するマトリックスの界面の接着性が重要であり、界面強度は複合材料を設計する際には必要不可欠な要素である。
【０００３】
しかし、界面強度の測定は困難な場合が多い。実験的に測定する方法として、単繊維を樹脂に埋め込み繊維方向へ樹脂全体に負荷を掛けることで臨界繊維長を求めるフラグメンテーション方法や、単繊維に樹脂のドロップを付けて繊維をドロップから引き抜くマイクロドロップレット法などがあるが、これらは多大な手間がかかるにも関わらず、実際を反映しない測定となることが多い。そのため曲げ試験などの強度試験の良し悪しで界面強度が評価することが多いが、マトリックスの強度が影響し精度が低い。そのため、マトリックスとフィラーの界面強度を、マトリックスの強度の影響を除いて、かつ容易に評価する方法が求められていた。
【０００４】
強度測定と同時に破壊を検知する方法として、アコースティックエミッション（以下、ＡＥということがある）を測定する方法がある。ＡＥとは材料が破壊するときに発生する音であり、この音の振幅や周波数、エネルギーが破壊の種類毎に異なるため、これを解析することで破壊を詳細に解析できる。この技術は様々な分野で応用されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。ＡＥのエネルギーを利用した評価方法としては、ＡＥのエネルギーが最大になった荷重を、高強度繊維補強コンクリートのひび割れ発生荷重と推定する方法が提案されている（特許文献４参照。）。しかし、これらは測定に供した材料の破壊の開始点を評価する方法であり、それがマトリックスの破壊であるのか、マトリックスと充填材の界面の破壊であるのかは区別されておらず、界面強度のみを評価する方法が求められていた。
【０００５】
なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している（非特許文献１参照。）。これは、特許法第３０条第２項を適用できるものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３３１５３４
【特許文献２】特開平６−３４１９４２
【特許文献３】特開２０００−２５８４０４
【特許文献４】特開２０１０−２２３７６１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】渡邉  佑典、  西村  正朗  「ＡＥ法を用いたフェノール樹脂−ガラス繊維複合材料の破壊挙動の解析」、  第６１回ネットワークポリマー講演討論会  講演要旨集  一般１０  １９〜２０頁、  合成樹脂工業協会、  平成２３年１０月１２日発行（特許法第３０条第２項の適用を受けようとする刊行物）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、複合材料におけるマトリックスとフィラーの界面強度を、マトリックスの強度の影響を除いて、かつ容易に評価する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的は、下記［１］〜［２］に記載の本発明により達成される。
［１］樹脂中にフィラーが分散してなる複合材料の強度を評価する方法であって、前記複合材料の試験片に荷重を増加することによって発生するアコースティックエミッションを測定することにより界面強度を評価する評価方法であって、荷重の増加に対してアコースティックエミッションのエネルギーを連続的に測定し、荷重の増加に対してアコースティックエミッションのエネルギーの積分値が急激に増加するときの荷重を界面強度とすることを特徴とする評価方法。
［２］上記樹脂が熱硬化性樹脂である上記［１］に記載の評価方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の評価方法は、複合材料におけるマトリックスとフィラーの界面強度を、マトリックスの強度の影響を除いて、かつ容易に評価できるという効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例、比較例において得られた荷重と積算エネルギーの関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の評価方法について詳細に説明する。
＜試験方法＞  本発明に用いられる試験方法としては、試験片の少なくとも一部に引張応力が作用する試験方法である。このような試験方法は特に限定されないが、代表的な試験方法は、引張試験、曲げ試験などである。
【００１３】
＜試験片＞  本発明に用いられる試験片としては、特に限定されないが、上記引張応力が作用する箇所にノッチ（切り欠き）を形成してもよい。これによりＡＥの発生箇所が限定されるため、評価の再現性を格段に向上させることができる。
【００１４】
＜ＡＥセンサ＞  本発明に用いられるＡＥセンサとしては、２０〜１０００ｋＨｚの周波数帯域に含まれるＡＥを検知可能なＡＥセンサを使用することが好ましい。ＡＥセンサの数は、特に限定されないが、ＡＥセンサの取り付け作業の手間や測定精度等を考慮して２個であることが好ましい。ＡＥセンサの取り付けはグリース等で行うことができ、試験片が破断すると予測される箇所を挟んだ両側に取り付けることが好ましい。これによりＡＥの発生位置を特定することができる。
【００１５】
＜ＡＥの測定＞  本発明のＡＥの測定方法について説明する。まず、発生するＡＥをＡＥセンサにより計測する。このときＡＥセンサの出力をＡＥの波形にデジタル化するのは、例えば、プリアンプでＡＥ信号を増幅した後、しきい値及びアナログフィルターで背景の雑音から分離し、Ａ／Ｄコンバータでデジタル変換する等の方法で行うことができる。本発明においては、プリアンプの条件は２０〜６０ｄＢが好ましく、３０〜５０ｄＢがより好ましい。また、アナログフィルターの範囲は１０〜２０００ｋＨｚが好ましく、９５〜１０００ｋＨｚがより好ましい。
【００１６】
＜ＡＥエネルギーの算出＞  本発明のＡＥエネルギーの算出方法について説明する。ＡＥの波形における各イベントのＡＥエネルギーが算出される。ここで、イベントとは、ＡＥの波形において、振幅がしきい値を超えてからしきい値未満になるまでの部分のことであり、イベントのＡＥエネルギーとは、イベント中のＡＥの波形の積分値である。本発明
においては、各イベントのＡＥエネルギーの算出において、ＡＥ波形の振幅のしきい値を２０〜５０ｄＢとすることが好ましい。しきい値が２０ｄＢ未満では、多数のＡＥ波が連続して発生しているにもかかわらず、見かけ上一つのイベントと判断してしまう可能性があり、測定精度が低下してしまう。一方、しきい値が５０ｄＢを超えると、しきい値レベル以下の小さなＡＥ信号が考慮されず、ＡＥエネルギーの誤差が大きくなり、測定精度が低下してしまう。
【００１７】
＜界面強度の評価＞  本発明の界面強度は、荷重の増加に対して上記のように算出するＡＥエネルギーを連続的に測定し、そのときの荷重の増加に対してＡＥエネルギーの積分値が急激に増加するときの荷重であって、これは印加する荷重とＡＥエネルギーの積分値との関係をプロットしたグラフから容易に知ることができる。このように評価できる理由としては以下のようなクラックの観察結果に基づいている。まず、ＡＥエネルギーの積分値が急激に上昇し始める荷重より小さな荷重のときは、複合材料のマトリックスに微小なクラックが発生しているが、そのクラックはフィラーとの界面で停止している。一方でＡＥエネルギーの積分値が急激に上昇し始める荷重より大きな荷重のときは、複合材料のマトリックスとフィラーの界面に大きなクラックが発生しており、そのクラックはマトリックスとフィラーの界面に沿って進展している。このことからＡＥエネルギーの積分値が急激に上昇し始める荷重が界面強度であり、樹脂強度とは分離できていることが判断できる。
【００１８】
＜複合材料のマトリックス樹脂＞  本発明の複合材料のマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂であることが好ましい。これは比較的破断歪の小さな樹脂である方が樹脂の破壊と、界面の破壊が明確に分離できるためである。
【００１９】
以下、本発明を実施例および比較例を参照して説明するが、本発明は、これらの実施例に記載に何ら限定されるものではない。実施例および比較例に用いた各原料、装置は以下のとおりである。
【００２０】
（１）ガラス繊維１：表面処理チョップドストランド、平均繊維径１１μｍ
（２）ガラス繊維２：表面無処理チョップドストランド、平均繊維径１１μｍ
（３）ノボラック型フェノール樹脂：住友ベークライト社製ＰＲ−５１３０５
（４）硬化剤：ヘキサメチレンテトラミン
（５）増粘剤：酸化マグネシウム
（６）離型剤：ステアリン酸カルシム
（７）着色剤：カーボンブラック
（８）ＡＥセンサ：富士セラミックス社製ＡＥ１４４Ａ
【００２１】
１．複合材料試験片の作製
［実施例１］
複合材料全体に対して、マトリックス樹脂としてノボラック型フェノール樹脂と硬化剤の混合物を４７重量％（ノボラック型フェノール樹脂４０重量％、硬化剤７重量％）、ガラス繊維１を５０重量％、増粘剤、離型剤、着色剤を各々１重量％を配合し、予備混合した。この混合物を回転速度の異なった１０５℃の加熱ロールで溶融混練して、シート状に冷却したものを粉砕して顆粒状の複合材料を得た。
【００２２】
［実施例２］
実施例１において、ガラス繊維１の代わりにガラス繊維２を配合する以外は実施例１と同様にして複合材料を得た。
【００２３】
［比較例］
実施例１において、ガラス繊維１を配合しない以外は実施例１と同様にして樹脂を得た。
【００２４】
２．強度特性評価
特性評価に使用した試験片の成形方法および評価方法は以下のとおりである。
【００２５】
試験片は、上記実施例及び比較例で得られた成形材料を用い、移送成形により作製した。成形条件は、金型温度１７５℃、硬化時間３分間とした。
【００２６】
測定方法は下記のとおりである。
曲げ強さ：ＪＩＳ  Ｋ  ６９１１に準拠して測定した。
３．ＡＥの評価
【００２７】
ＡＥの評価方法は下記のとおりである。
各試験片（長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み４ｍｍ）には長さ方向の中央部分に試験片の幅方向に深さ２．０ｍｍのノッチを形成した。ノッチの形状としては、幅を０．２ｍｍ、Ｒを０．１ｍｍとした。評価はスパンが６４ｍｍの３点曲げ試験で行い、試験片の設置としてはノッチの付いた面を下として、ノッチ部が圧子の直下となるように設置した。ＡＥセンサは、試験片の上面の圧子から２５ｍｍの位置両側にグリースを使用して取り付けた。圧子の降下速度は０．１ｍｍ／分で測定した。ＡＥセンサの出力は、プリアンプの条件は４０ｄＢでＡＥ信号を増幅した後、音響信号処理装置でデジタル化し、しきい値を３０ｄＢ、アナログフィルターの範囲は９５〜１０００ｋＨｚとして、ＡＥの波形における各イベントのＡＥエネルギーを算出した。
【００２８】
配合、特性について表１に、荷重に対するＡＥエネルギーの積算値のグラフを図１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
実施例１と実施例２はフィラーとしてガラス繊維を用いているが、このガラス繊維の表面処理だけが異なるため界面強度のみが異なる。曲げ試験では実施例１では試験開始から試験終了まで弾性率はほぼ一定であったが、実施例２では試験途中で明かに弾性率の低下が見られ界面剥離が生じた。実施例２の曲げ試験は界面剥離が生じても歪み続けたこと考慮すると、曲げ試験の結果は界面強度のみの影響を反映していないことは明確である。一方で、本発明の界面強度の評価方法では、比較例の樹脂のみの場合、一気に破断するためＡＥエネルギーの急激な上昇は測定されないが最後に発生したＡＥイベントの直後に破断している。このときの荷重を実施例と比較すると低い。このことから破壊機構としては、まず樹脂内部でクラックが発生して、フィラーを含有しない場合はクラックが進展しその
まま破断するが、フィラーを含有する場合、クラックは界面で停められ、さらに荷重が大きくなり界面強度に達するとクラックが連結し進展する。この機構は界面強度が異なっても同様と考えられる。したがって、ＡＥのエネルギーの積分値が急激に増加した荷重が界面強度であり、実施例１は実施例２より界面強度は高いと評価できた。
【００３１】
以上の結果から、本発明によって複合材料におけるマトリックスとフィラーの界面強度を、マトリックスの強度の影響を除いて、かつ容易に評価できることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の界面強度の評価方法によって、複合材料の機械的強度に対する界面の接着性の実質的な効果を評価できる。これにより、機械的強度に優れた複合材料を提供することが可能となる。
【図１】
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