(57)【要約】      （修正有）【課題】繊維複合材料の繊維配向度を高精度に算出することができる、繊維配向度算出方法、繊維配向度算出プログラム、繊維配向度算出装置及び繊維配向度算出システムの提供。【解決手段】プロファイル取得部３０１は、繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、回折像の回折強度との関係を示すプロファイルを取得する。結晶配向度算出部３０２は、取得されたプロファイルに基づき、結晶配向度を算出する。プロファイル取得部３０１は、強化繊維が１方向に引き揃えられた状態の繊維複合材料について、プロファイルを取得する。結晶配向度算出部３０２は、取得されたプロファイルに基づき、繊維複合材料の結晶配向度を算出する。繊維配向度算出部３０３は、結晶配向度に基づき、繊維複合材料の繊維配向度を算出する。【選択図】図１
2016090259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維を含む第１の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第１のプロファイルを取得する第１の手順と、
前記第１の手順で取得された前記第１のプロファイルに基づき、前記第１の繊維複合材料の結晶配向度である第１の結晶配向度を算出する第２の手順と、
１方向に引き揃えられた強化繊維を含む第２の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第２のプロファイルを取得する第３の手順と、
前記第３の手順で取得された前記第２のプロファイルに基づき、前記第２の繊維複合材料の結晶配向度である第２の結晶配向度を算出する第４の手順と、
前記第２の手順で算出された前記第１の結晶配向度と、前記第４の手順で算出された前記第２の結晶配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度を算出する第５の手順と、
を有する、繊維配向度算出方法。
【請求項２】
前記第５の手順において、前記第１の結晶配向度と前記第２の結晶配向度の比に基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度が算出される、請求項１記載の繊維配向度算出方法。
【請求項３】
前記角度をφ、前記回折強度をＩ（φ）とすると、下記の（式１）〜（式５）に基づいて、前記第１の繊維複合材料の配向係数ａ、前記第１の結晶配向度ｆａ、前記第２の繊維複合材料の配向係数ｂ、前記第２の結晶配向度ｆｂ及び前記第１の繊維複合材料の繊維配向度ｆが算出される、請求項２記載の繊維配向度算出方法。
【数１】
2016090259.tif 000010
【数２】
2016090259.tif 000011
【数３】
2016090259.tif 000012
【数４】
2016090259.tif 000013
【数５】
2016090259.tif 000014
【請求項４】
前記第１の繊維複合材料に含まれる強化繊維は、前記第２の繊維複合材料に含まれる強化繊維と同じ物質である、請求項１記載の繊維配向度算出方法。
【請求項５】
前記第１の繊維複合材料及び前記第２の繊維複合材料は、強化繊維として炭素繊維が用いられる、請求項４記載の繊維配向度算出方法。
【請求項６】
前記第１の繊維複合材料及び前記第２の繊維複合材料は樹脂を含み、
前記第１の繊維複合材料に含まれる樹脂は、前記第２の繊維複合材料に含まれる樹脂と同じ物質である、請求項４記載の繊維配向度算出方法。
【請求項７】
複数種の繊維複合材料の繊維配向度の算出結果と、前記複数種の繊維複合材料の力学物性の測定結果とに基づき、繊維配向度と力学物性との関係を示す近似式を算出する第６の手順を更に有する、請求項１記載の繊維配向度算出方法。
【請求項８】
前記第６の手順で算出される前記近似式と、前記第５の手順で算出される前記繊維配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の力学物性を算出する第７の手順を更に有する、請求項７記載の繊維配向度算出方法。
【請求項９】
強化繊維を含む第１の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第１のプロファイルを取得する第１の手順と、
前記第１の手順で取得された前記第１のプロファイルに基づき、前記第１の繊維複合材料の結晶配向度である第１の結晶配向度を算出する第２の手順と、
１方向に引き揃えられた強化繊維を含む第２の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第２のプロファイルを取得する第３の手順と、
前記第３の手順で取得された前記第２のプロファイルに基づき、前記第２の繊維複合材料の結晶配向度である第２の結晶配向度を算出する第４の手順と、
前記第２の手順で算出された前記第１の結晶配向度と、前記第４の手順で算出された前記第２の結晶配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度を算出する第５の手順と、
を制御部に実行させる、繊維配向度算出プログラム。
【請求項１０】
強化繊維を含む第１の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第１のプロファイルを取得する第１のプロファイル取得手段と、
前記第１のプロファイル取得手段によって取得された前記第１のプロファイルに基づき、前記第１の繊維複合材料の結晶配向度である第１の結晶配向度を算出する第１の結晶配向度算出手段と、
１方向に引き揃えられた強化繊維を含む第２の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第２のプロファイルを取得する第２のプロファイル取得手段と、
前記第２のプロファイル取得手段によって取得された前記第２のプロファイルに基づき、前記第２の繊維複合材料の結晶配向度である第２の結晶配向度を算出する第２の結晶配向度算出手段と、
前記第１の結晶配向度算出手段によって算出された前記第１の結晶配向度と、前記第２の結晶配向度算出手段によって算出された前記第２の結晶配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度を算出する繊維配向度算出手段と、
を有する、繊維配向度算出装置。
【請求項１１】
Ｘ線回折装置と繊維配向度算出装置とが接続された繊維配向度算出システムであって、
前記繊維配向度算出装置は、
強化繊維を含む第１の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第１のプロファイルを、前記Ｘ線回折装置から取得する第１のプロファイル取得手段と、
前記第１のプロファイル取得手段によって取得された前記第１のプロファイルに基づき、前記第１の繊維複合材料の結晶配向度である第１の結晶配向度を算出する第１の結晶配向度算出手段と、
１方向に引き揃えられた強化繊維を含む第２の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第２のプロファイルを、前記Ｘ線回折装置から取得する第２のプロファイル取得手段と、
前記第２のプロファイル取得手段によって取得された前記第２のプロファイルに基づき、前記第２の繊維複合材料の結晶配向度である第２の結晶配向度を算出する第２の結晶配向度算出手段と、
前記第１の結晶配向度算出手段によって算出された前記第１の結晶配向度と、前記第２の結晶配向度算出手段によって算出された前記第２の結晶配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度を算出する繊維配向度算出手段と、
を有する、繊維配向度算出システム。
【請求項１２】
複数種の繊維複合材料の力学物性を測定する力学物性測定装置を更に備え、
前記繊維配向度算出装置は、前記繊維配向度算出手段によって算出された前記複数種の繊維複合材料の繊維配向度と、前記力学物性測定装置によって測定された前記複数種の繊維複合材料の力学物性とに基づき、繊維配向度と力学物性との関係を示す近似式を算出する近似式算出手段を更に有する、請求項１１記載の繊維配向度算出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維複合材料の繊維配向度を算出する繊維配向度算出方法、繊維配向度算出プログラム、繊維配向度算出装置及び繊維配向度算出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維などの強化繊維と樹脂を複合化させた繊維複合材料は、軽量かつ物性に優れる材料として自動車や航空機などの様々な分野において用途展開が進んでいる。繊維複合材料の内部の繊維の配向状態は、力学物性に大きな影響を与える。したがって、繊維複合材料を更に高性能化するためには、繊維の配向状態のコントロールが重要である。
【０００３】
一方、繊維複合材料の成型方法によっては、繊維の配向状態を十分にコントロールできない場合がある。例えば、射出成型で作製した平板の場合、板の表面と内部で繊維の向きが異なる。また、プレス成型では、繊維は流動方向に配向するが、成型条件（温度、圧力、時間）によってこの配向状態は変化する。
【０００４】
したがって、射出成型やプレス成型でリブなどの複雑な３次元形状を有する部材を成型する際、繊維の配向がコントロールできない場合がある。このため、複雑な３次元形状の部分では繊維の配向の乱れによって力学物性が変動してしまうことから、構造部材の設計が困難となる。もちろん、３次元形状物から一部を切り出して物性試験をしてもよいが、力学物性が測定できるだけの大きさを確保するのは一般的に難しい。
【０００５】
一方、物性試験が困難であっても、繊維の配向状態から力学物性の算出が可能となれば、成型条件の最適化のスピードアップが達成され、高性能な繊維複合材料の開発につながる。繊維複合材料の繊維の配向状態を調べる手法としては、画像解析法（例えば、特許文献１）、Ｘ線ＣＴ法（例えば、特許文献２）及びＸ線回折法（例えば、非特許文献１）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２４６４２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−９１３３０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】竹田  啓  ほか、成形加工、Ｖｏｌ．１、Ｐ８８（１９８９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の画像解析法では、サンプルの１つの断面を観察しているに過ぎないため、サンプル全体の繊維の配向状態を把握することができない。サンプル全体の繊維の配向状態を把握するためには、研磨と観察を繰り返して断面を観察する必要があるが、膨大な作業となるという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載のＸ線ＣＴ法では、Ｘ線ＣＴを使って繊維配向を捉えているが、画像解析の過程で繊維と樹脂とを切り分ける２値化処理が必要となる。２値化処理では、作業者に応じて２値化の判断が異なるため、結果的に繊維配向度が作業者に応じて変化するという問題がある。
【００１０】
また、非特許文献１に記載のＸ線回折法では、微小サンプルを使って繊維の配向が評価される。このため、実用的な大きさの成型物の繊維配向度を算出することができない。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、繊維複合材料の繊維配向度を高精度に算出することができる繊維配向度算出方法、繊維配向度算出プログラム、繊維配向度算出装置及び繊維配向度算出システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下の態様を有する。
［１］  強化繊維を含む第１の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第１のプロファイルを取得する第１の手順と、前記第１の手順で取得された前記第１のプロファイルに基づき、前記第１の繊維複合材料の結晶配向度である第１の結晶配向度を算出する第２の手順と、１方向に引き揃えられた強化繊維を含む第２の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第２のプロファイルを取得する第３の手順と、前記第３の手順で取得された前記第２のプロファイルに基づき、前記第２の繊維複合材料の結晶配向度である第２の結晶配向度を算出する第４の手順と、前記第２の手順で算出された前記第１の結晶配向度と、前記第４の手順で算出された前記第２の結晶配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度を算出する第５の手順と、を有する、繊維配向度算出方法。
【００１３】
［２］  強化繊維を含む第１の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第１のプロファイルを取得する第１の手順と、前記第１の手順で取得された前記第１のプロファイルに基づき、前記第１の繊維複合材料の結晶配向度である第１の結晶配向度を算出する第２の手順と、１方向に引き揃えられた強化繊維を含む第２の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第２のプロファイルを取得する第３の手順と、前記第３の手順で取得された前記第２のプロファイルに基づき、前記第２の繊維複合材料の結晶配向度である第２の結晶配向度を算出する第４の手順と、前記第２の手順で算出された前記第１の結晶配向度と、前記第４の手順で算出された前記第２の結晶配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度を算出する第５の手順と、を制御部に実行させる、繊維配向度算出プログラム。
【００１４】
［３］  強化繊維を含む第１の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第１のプロファイルを取得する第１のプロファイル取得手段と、前記第１のプロファイル取得手段によって取得された前記第１のプロファイルに基づき、前記第１の繊維複合材料の結晶配向度である第１の結晶配向度を算出する第１の結晶配向度算出手段と、１方向に引き揃えられた強化繊維を含む第２の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第２のプロファイルを取得する第２のプロファイル取得手段と、前記第２のプロファイル取得手段によって取得された前記第２のプロファイルに基づき、前記第２の繊維複合材料の結晶配向度である第２の結晶配向度を算出する第２の結晶配向度算出手段と、前記第１の結晶配向度算出手段によって算出された前記第１の結晶配向度と、前記第２の結晶配向度算出手段によって算出された前記第２の結晶配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度を算出する繊維配向度算出手段と、を有する、繊維配向度算出装置。
【００１５】
［４］  Ｘ線回折装置と繊維配向度算出装置とが接続された繊維配向度算出システムであって、前記繊維配向度算出装置は、強化繊維を含む第１の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第１のプロファイルを、前記Ｘ線回折装置から取得する第１のプロファイル取得手段と、前記第１のプロファイル取得手段によって取得された前記第１のプロファイルに基づき、前記第１の繊維複合材料の結晶配向度である第１の結晶配向度を算出する第１の結晶配向度算出手段と、１方向に引き揃えられた強化繊維を含む第２の繊維複合材料にＸ線が照射されることによって生じる円状の回折像の中心周りの角度と、前記角度における回折像の回折強度との関係を示す第２のプロファイルを、前記Ｘ線回折装置から取得する第２のプロファイル取得手段と、前記第２のプロファイル取得手段によって取得された前記第２のプロファイルに基づき、前記第２の繊維複合材料の結晶配向度である第２の結晶配向度を算出する第２の結晶配向度算出手段と、前記第１の結晶配向度算出手段によって算出された前記第１の結晶配向度と、前記第２の結晶配向度算出手段によって算出された前記第２の結晶配向度とに基づき、前記第１の繊維複合材料の繊維配向度を算出する繊維配向度算出手段と、を有する、繊維配向度算出システム。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、繊維複合材料の繊維配向度を高精度に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】繊維配向度算出装置３００の内部の処理を示すブロック図である。
【図２】繊維複合材料にＸ線を照射することによって現れる回折像を示す図である。
【図３】１方向に引き揃えられた炭素繊維束の１次元配向プロファイルを示す図である。
【図４】直交積層体の１次元配向プロファイルを示す図である。
【図５】疑似等方材料の１次元配向プロファイルを示す図である。
【図６】完全等方材料の１次元配向プロファイルを示す図である。
【図７】再定義した角度φを示す図である。
【図８】繊維配向度ｆの算出処理を示すフローチャートである。
【図９】試料Ｘの力学物性の算出処理を示すフローチャートである。
【図１０】一定間隔で切込を入れられたプリプレグを示す図である。
【図１１】プレス成型材料の作成方法を説明するための図である。
【図１２】試料Ｔ１及び試料Ｔ２を示す図である。
【図１３】試料Ｔ４及び試料Ｔ５を示す図である。
【図１４】試料Ｔ１〜Ｔ５の引張弾性率及び繊維配向度がプロットされた散布図である。
【図１５】試料Ｔ６を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本実施形態の繊維配向度算出方法、繊維配向度算出プログラム、繊維配向度算出装置及び繊維配向度算出システムを、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、繊維配向度算出装置３００の内部の処理を示すブロック図である。繊維配向度算出装置３００は、Ｘ線回折装置１００及び物性測定装置２００に接続されている。Ｘ線回折装置１００は、繊維複合材料にＸ線を照射して、繊維内部の結晶に起因したＸ線の回折強度を測定する装置である。また、物性測定装置２００は、繊維複合材料の力学物性（例えば、引張弾性率）を測定する装置である。
【００２０】
繊維配向度算出装置３００の制御部３１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサと、プロセッサが実行するプログラムを格納するメモリとを備える。繊維配向度算出装置３００内のプロファイル取得部３０１、結晶配向度算出部３０２、繊維配向度算出部３０３、近似式算出部３０５及び物性算出部３０６の各機能は、制御部３１０により実行される。なお、制御部３１０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアであってもよい。
【００２１】
本実施形態における繊維複合材料は、強化繊維とマトリクス樹脂から構成される。強化繊維は、一般的に結晶を有し、繊維軸方向に結晶が配向している。強化繊維としては、力学物性に優れる繊維を用いることが好ましい。
【００２２】
本実施形態では、強化繊維の一例として炭素繊維が用いられるが、力学物性に優れる強化繊維であれば他の強化繊維が用いられてもよい。炭素繊維は、ピッチ、レーヨン又はポリアクリロニトリルなどの、いずれの原料物質から得られたものであってもよく、高強度タイプである低弾性率炭素繊維、中高弾性炭素繊維又は超高弾性炭素繊維のいずれでもよい。繊維の配向評価は繊維の長さに影響されないため、連続繊維や短繊維が用いられても構わない。したがって、短繊維ペレットを射出成型して得られた成型品が用いられてもよい。
【００２３】
マトリクスは、樹脂系であれば熱硬化系樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれであっても構わない。熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６等）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等）、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステルやアクリロニトリルとスチレンの共重合体等を用いることができる。また、これらの混合物でもよい。さらに、熱可塑性樹脂としては、ナイロン６とナイロン６６の共重合ナイロンのように、共重合したものであってもよい。
【００２４】
次に、測定対象である繊維複合材料Ｍａの１次元配向プロファイルＰａの取得方法について説明する。前述したように、強化繊維には一般的に結晶が存在する。本実施形態で用いられる炭素繊維には、黒鉛結晶が存在する。この黒鉛結晶のｃ軸は、平均的には繊維軸に垂直方向に向いている。つまり、炭素網面は繊維軸方向に配向している。したがって、Ｘ線回折装置１００が、強化繊維が１方向に引き揃えられた炭素繊維束にＸ線を照射すると、円状の回折像（デバイ環）が現れる。
【００２５】
図２は、繊維複合材料にＸ線を照射することによって現れる回折像を示す図である。Ｘ線回折装置１００は、繊維複合材料ＭａにＸ線を照射する。そして、Ｘ線回折装置１００は、現れた回折像（デバイ環）に沿った光の回折強度（輝度）を、Ｘ線センサ１１０を用いて検出する。これによって、繊維複合材料Ｍａの１次元配向プロファイルＰａが得られる。
【００２６】
ここで、炭素繊維の繊維方向Ａに直交する軸をｙ軸とし、繊維方向Ａに平行な軸をｚ軸とする。また、ｙ軸とｚ軸の交点をデバイ環の中心点Ｏとし、ｙ軸から中心点Ｏ周りの角度をφとする。炭素繊維が図２のＡ方向に引き揃えられている場合、φ＝０°となる位置Ｐ１と、φ＝１８０°となる位置Ｐ２において回折強度（輝度）がピークとなる。
【００２７】
図３は、１方向（Ａ方向）に引き揃えられた炭素繊維束の１次元配向プロファイルを示す図である。図３の縦軸は回折強度Ｉ（φ）を示し、横軸は角度φを示す。図３に示されるように、Ａ方向に引き揃えられた炭素繊維束の１次元配向プロファイルは、φ＝０°とφ＝１８０°の位置にピークがある。
【００２８】
強化繊維の配向状態が未知の材料の１次元配向プロファイルは、図３のプロファイルの重ね合わせで表現される。例えば、強化繊維がＡ方向に引き揃えられた繊維複合材料と、強化繊維がＡに直交する方向に引き揃えられた繊維複合材料とが重ねられた、いわゆる直交積層体の場合、図４に示されるように９０°毎に回折強度のピークが現れる。
【００２９】
また、繊維複合材料の繊維方向を４５°ずつずらして積層された、いわゆる疑似等方材料の場合、図５に示されるように４５°毎にピークが現れる。粉砕した炭素繊維、つまり完全等方材料の場合、図６に示されるように、１次元配向プロファイルはφ＝０°〜３６０°にわたって一定の値となる。
【００３０】
回折強度を検出するための手法としては、１次元検出と２次元検出がある。１次元検出の場合は、繊維複合材料の試料を回転する必要がある。短時間で検出するために、高輝度放射光を用いてもよい。２次元検出の場合は、試料を回転させる必要は無い。自動車のドアパネルやボンネット、トランクなどの大きな成型品のように、試料を回転させることが難しい場合は２次元検出器を使えばよい。
【００３１】
Ｘ線回折装置１００から繊維複合材料に照射されるＸ線は、繊維複合材料の試料の厚みに応じて吸収される。実験により、試料の厚みは０．０１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下が好ましいことが分かった。試料の厚みが０．０１ｍｍより小さい場合、回折強度のピークを判断できるのに十分な回折像が得られないため、配向の評価が困難である。また、厚みが５０ｍｍより大きい場合、Ｘ線は試料で吸収されるため、回折像が得られず配向の評価が困難である。
【００３２】
Ｘ線回折装置１００は、検出した繊維複合材料Ｍａの１次元配向プロファイルＰａを，繊維配向度算出装置３００へと送信する。繊維配向度算出装置３００のプロファイル取得部３０１は、Ｘ線回折装置１００から送信された１次元配向プロファイルＰａを取得する。
【００３３】
次に、測定対象である繊維複合材料Ｍａの結晶配向度ｆａの算出方法について説明する。結晶配向度算出部３０２は、プロファイル取得部３０１により取得された１次元配向プロファイルＰａに基づき、Ｈｅｒｍａｎｓの手法に従って結晶配向度を算出する。
【００３４】
具体的には、図７に示されるように角度φを再度定義した場合、結晶配向度算出部３０２は、以下の（式１）を用いて測定対象である繊維複合材料Ｍａの配向係数ａを算出する。
【数１】
2016090259.tif 000003
【００３５】
また、結晶配向度算出部３０２は、配向係数ａと以下の（式２）とを用いて、測定対象である繊維複合材料Ｍａの結晶配向度ｆａを算出する。
【数２】
2016090259.tif 000004
【００３６】
本実施形態では、算出された結晶配向度から繊維配向度が算出される。本来、１方向に引き揃えられた強化繊維の配向度は、強化繊維の種類によらず同じ値である。しかし、（式２）で求められるのは結晶配向度ｆａであり、結晶配向度ｆａは繊維の作り方によって大きく異なる。
【００３７】
例えば、図３において、強化繊維の種類によって回折強度Ｉ（φ）のピーク位置は変わらないが、ピークの幅は異なる。このため、結晶配向度ｆａから測定対象の繊維複合材料Ｍａの繊維配向度を算出するためには、１方向に炭素繊維が引き揃えられた状態の１方向繊維複合材料Ｍｂの結晶配向度ｆｂを算出する必要がある。また、算出された結晶配向度ｆｂを、繊維複合材料Ｍａの繊維配向度ｆを算出する際のデータの補正に用いる必要がある。この補正によって、繊維複合材料の繊維配向度を高精度に算出することができる。
【００３８】
次に、炭素繊維が１方向に引き揃えられた状態の１方向繊維複合材料Ｍｂの結晶配向度ｆｂの算出方法について説明する。１方向繊維複合材料Ｍｂは、測定対象である繊維複合材料Ｍａと同じ炭素繊維とマトリクス樹脂から構成される。
【００３９】
Ｘ線回折装置１００は、１方向繊維複合材料ＭｂにＸ線を照射し、繊維内部の結晶に起因したＸ線の回折強度を検出する。これによって、角度φとＸ線の回折強度Ｉ（φ）との関係を示す、１方向繊維複合材料Ｍｂの１次元配向プロファイルＰｂが得られる。Ｘ線回折装置１００は、１次元配向プロファイルＰｂを繊維配向度算出装置３００に送信する。
【００４０】
繊維配向度算出装置３００のプロファイル取得部３０１は、１方向繊維複合材料Ｍｂの１次元配向プロファイルＰｂを、Ｘ線回折装置１００から取得する。結晶配向度算出部３０２は、プロファイル取得部３０１により取得された１次元配向プロファイルＰｂに基づき、Ｈｅｒｍａｎｓの手法に従って結晶配向度を算出する。
【００４１】
具体的には、図７に示されるように角度φを定義した場合、結晶配向度算出部３０２は、以下の（式３）を用いて１方向繊維複合材料Ｍｂの配向係数ｂを算出する。
【数３】
2016090259.tif 000005
【００４２】
また、結晶配向度算出部３０２は、配向係数ｂと以下の（式４）とを用いて、１方向繊維複合材料Ｍｂの結晶配向度ｆｂを算出する。
【数４】
2016090259.tif 000006
【００４３】
次に、測定対象である繊維複合材料Ｍａの繊維配向度ｆの算出方法について説明する。繊維配向度算出部３０３は、結晶配向度算出部３０２により算出された結晶配向度ｆａ及び結晶配向度ｆｂに基づき、以下の（式５）を用いて繊維複合材料Ｍａの繊維配向度ｆを算出する。
【数５】
2016090259.tif 000007
【００４４】
繊維配向度算出部３０３は、算出された繊維複合材料Ｍａの繊維配向度ｆを表示部３０４へと送信する。作業者は、表示部３０４に表示された繊維配向度ｆを確認することで、繊維複合材料Ｍａの繊維の配向状態を把握することができる。
【００４５】
図８は、繊維配向度ｆの算出処理を示すフローチャートである。図８のフローチャートは、制御部３１０により実行される。まず、プロファイル取得部３０１は、繊維複合材料Ｍａの１次元配向プロファイルＰａを、Ｘ線回折装置１００から取得する（ステップＳ１００）。次に、結晶配向度算出部３０２は、プロファイル取得部３０１により取得された１次元配向プロファイルＰａに基づき、繊維複合材料Ｍａの結晶配向度ｆａを算出する（ステップＳ１０１）。結晶配向度ｆａは、前述の（式１）及び（式２）に基づいて算出される。
【００４６】
次に、プロファイル取得部３０１は、１方向繊維複合材料Ｍｂの１次元配向プロファイルＰｂを、Ｘ線回折装置１００から取得する（ステップＳ１０２）。次に、結晶配向度算出部３０２は、プロファイル取得部３０１により取得された１次元配向プロファイルＰｂに基づき、１方向繊維複合材料Ｍｂの結晶配向度ｆｂを算出する（ステップＳ１０３）。結晶配向度ｆｂは、前述の（式３）及び（式４）に基づいて算出される。
【００４７】
次に、繊維配向度算出部３０３は、結晶配向度算出部３０２によって算出された結晶配向度ｆａ及び結晶配向度ｆｂに基づき、繊維配向度ｆを算出する（ステップＳ１０４）。繊維配向度ｆは、前述の（式５）に基づいて算出される。結晶配向度ｆｂを補正値として用いることで、繊維配向度ｆを高精度に算出することができる。
【００４８】
繊維配向度算出部３０３は、算出された繊維配向度ｆを表示部３０４へ送信する。表示部３０４は、繊維配向度算出部３０３から受信した繊維配向度ｆを表示する（ステップＳ１０５）。以上が、本フローチャートの全体の流れである。
【００４９】
以上説明したように、結晶配向度算出部３０２は、繊維複合材料Ｍａの結晶配向度ｆａと、１方向繊維複合材料Ｍｂの結晶配向度ｆｂとを算出する。また、繊維配向度算出部３０３は、結晶配向度ｆａ及び結晶配向度ｆｂに基づき、繊維複合材料Ｍａの繊維配向度ｆを算出する。これによって、本実施形態によれば、繊維複合材料の繊維配向度を高精度に算出することができる。
【００５０】
次に、力学物性が未知の試料Ｘの力学物性の算出方法について説明する。力学物性とは、例えば、引張や圧縮や曲げのそれぞれのモードに対する強度や弾性率である。ＪＩＳなどの規格に準じた試験を行って試料の力学物性を測定することが望ましいが、力学物性の試験が可能であれば試料の形状に限定は無い。
【００５１】
物性測定装置２００は、様々な条件で得られた複数種の試料の力学物性を測定する。ここで、後述する近似式の精度を高めるために、できるだけ多くの種類の試料の力学物性を測定することが望ましい。物性測定装置２００は、測定した力学物性を繊維配向度算出装置３００内の近似式算出部３０５へ送信する。
【００５２】
一方、繊維配向度算出部３０３は、図８に示されるフローチャートに従って、力学物性が測定された複数種の試料の繊維配向度ｆを算出する。そして、近似式算出部３０５は、複数種の試料の力学物性及び繊維配向度ｆに基づき、力学物性と繊維配向度ｆとの関係を示す近似式を算出する。具体的には、近似式算出部３０５は、線形近似や、Ｎ次関数又は指数関数などによって近似式を算出する。
【００５３】
次に、繊維配向度算出部３０３は、図８に示されるフローチャートに従って、力学物性が未知の試料Ｘの繊維配向度ｆを算出する。物性算出部３０６は、繊維配向度算出部３０３によって算出された試料Ｘの繊維配向度ｆと、近似式算出部３０５によって算出された近似式に基づき、試料Ｘの力学物性を算出する。
【００５４】
物性算出部３０６は、算出された試料Ｘの力学物性を表示部３０４へと送信する。作業者は、表示部３０４に表示された力学物性を確認することで、試料Ｘの力学物性を把握することができる。
【００５５】
図９は、試料Ｘの力学物性の算出処理を示すフローチャートである。図９のフローチャートは、制御部３１０により実行される。まず、近似式算出部３０５は、複数種の試料の力学物性を、物性測定装置２００から取得する（ステップＳ２００）。次に、繊維配向度算出部３０３は、複数種の試料それぞれの繊維配向度を算出する（ステップＳ２０１）。
【００５６】
次に、近似式算出部３０５は、複数種の試料の力学物性及び繊維配向度に基づき、近似式を算出する（ステップＳ２０２）。次に、繊維配向度算出部３０３は、力学物性が未知である試料Ｘの繊維配向度ｆを算出する（ステップＳ２０３）。そして、物性算出部３０６は、試料Ｘの繊維配向度ｆと近似式に基づき、試料Ｘの力学物性を算出する（ステップＳ２０４）。
【００５７】
物性算出部３０６は、算出された試料Ｘの力学物性を表示部３０４へ送信する。表示部３０４は、物性算出部３０６から受信した試料Ｘの力学物性を表示する（ステップＳ２０５）。以上が、本フローチャートの全体の流れである。
【００５８】
以上説明したように、近似式算出部３０５は、力学物性と繊維配向度との関係を示す近似式を算出する。また、物性算出部３０６は、算出された近似式を用いて、力学物性が未知の試料の力学物性を算出する。これによって、本実施形態によれば、力学物性が測定できないような複雑な形状の部分の物性を、繊維配向度に基づいて予測することが可能となる。
【００５９】
なお、Ｘ線回折装置１００、物性測定装置２００及び繊維配向度算出装置３００は別々の装置としたが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、Ｘ線回折装置１００及び物性測定装置２００は、繊維配向度算出装置３００の内部に組み込まれていても構わない。
【実施例】
【００６０】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６１】
本実施例では、炭素繊維（三菱レイヨン株式会社製、製品名：ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ、１２０００本、密度１．８２ｇ／ｃｍ２）を１方向平面状に目付けが７２．０ｇ／ｍ２になるように配列させた炭素繊維シートが用いられる。この炭素繊維シートの両面に、目付け４５．６ｇ／ｍ２の樹脂フィルム（ナイロン６、宇部興産株式会社製、製品名：ＵＢＥ１０１３Ｂ）を積層させることにより、積層体が作成される。
【００６２】
この積層体を２００℃〜２８０℃に加熱したカレンダーロールに複数回通し、樹脂フィルムを炭素繊維シートに溶融含浸させることにより、プリプレグが作成される。作成されたプリプレグの厚みは１２０μｍ、目付けは１４５．０ｇ／ｍ２、繊維堆積含有率（Ｖｆ）は４８．０％であった。
【００６３】
次に、１方向材料２１の作成について説明する。まず、プリプレグを縦２９５ｍｍ、横２９５ｍｍにカットしたものを８枚用意する。この８枚のプリプレグが１方向（０°方向）になるように積層された後、超音波溶着機（日本エマソン社製、製品名：２０００ＬＰｔ）で部分的に溶接されることにより、積層体が作成される。
【００６４】
作成された積層体は、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍの印籠型の中央に配置され、加熱盤が２５０℃に予熱されたプレス機に投入され、０．３０ＭＰａの圧力で１０分間加熱及び加圧される。その後、積層体は、３０℃に予熱されたプレス機に投入され、１．０ＭＰａの圧力で３分間冷却及び加圧される。これらの処理によって、厚さ１ｍｍの１方向材料２１が作成される。
【００６５】
次に、疑似等方材料２２の作成について説明する。まず、１２４０ｍｍ×９４０ｍｍにカットされたプリプレグを用意する。このプリプレグは、カッティングプロッタ（レザック社製、製品名：Ｌ−２５００）によって、図１０に示されるように一定間隔で切込１０を入れられる。切込１０は、プリプレグの端部から１０ｍｍ以内の領域以外に存在する。
【００６６】
ここで、炭素繊維１１の長さＬｆが２５．０ｍｍ（一定）、平均切込長Ｌｃが４２．４ｍｍ、切込１０と炭素繊維１１のなす角度θが４５°となるよう、プリプレグに切込加工が施される。切込加工が施されたプリプレグを、切込プリプレグと称する。なお、切込プリプレグにおける１ｍ２あたりの切込長の総和Ｌａは、５６．６ｍである。
【００６７】
次に、切込プリプレグを１６枚用意する。１６枚の切込プリプレグは、繊維軸方向が［０°／４５°／９０°／−４５°］のように４５°ずつ向きを変えて積層される。その後、積層された１６枚の切込プリプレグを超音波溶着機（日本エマソン社製、製品名：２０００ＬＰｔ）で部分的に溶接することにより、積層体が作成される。
【００６８】
作成された積層体は、縦１２５０ｍｍ、横９５０ｍｍの印籠型の中央に配置され、加熱盤が２５０℃に予熱されたプレス機に投入され、０．３０ＭＰａの圧力で１０分間加熱及び加圧される。その後、積層体は、１３０℃に予熱されたプレス機に投入され、１．０ＭＰａの圧力で３分間冷却及び加圧される。これらの処理によって、疑似等方材料２２が作成される。
【００６９】
次に、プレス成型材料２３の作成について説明する。まず、縦２９０ｍｍ、横２００ｍｍにカットされた疑似等方材料２２を２枚用意する。この２枚の疑似等方材料２２を積層することで、積層体２０が作成される。作成された積層体２０は、３８０℃のＩＲヒーターで１０分間予備加熱される。そして、図１１に示されるように、積層体２０は縦３００ｍｍ、横３００ｍｍの印籠型３０の中央に配置される。その後、積層体２０は、加熱盤が１７０℃に予熱されたプレス機に投入され、１０ＭＰａの圧力で２分間加圧される。これらの処理によって、プレス成型材料が作成される。なお、プレスされることにより、積層体２０は左に５０ｍｍ、右に５０ｍｍ流動する。これによって、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍのプレス成型材料２３が作成される。
【００７０】
１方向材料（０°方向）の試料Ｔ１は、図１２に示されるように、１方向材料２１の中央から長さ２５０ｍｍ、幅２５ｍｍのサイズとなるように切り出される。なお、試料Ｔ１の長辺方向は、最表層の繊維方向Ａに平行である。
【００７１】
１方向材料（９０°方向）の試料Ｔ２は、図１２に示されるように、１方向材料２１の中央から長さ２５０ｍｍ、幅２５ｍｍのサイズとなるように切り出される。なお、試料Ｔ２の長辺方向は、最表層の繊維方向Ａに垂直である。なお、試料Ｔ１と試料Ｔ２は１枚の１方向材料２１から切り出されるのではなく、別々の１方向材料２１から切り出される。
【００７２】
疑似等方材料２２の試料Ｔ３は、長さ２５０ｍｍ、幅２５ｍｍのサイズとなるように切り出される。試料Ｔ３が切り出される位置は、どの位置でも構わない。なお、試料Ｔ３の長辺方向は、最表層の繊維方向Ａに平行である。
【００７３】
プレス成型材料２３の試料Ｔ４は、図１３に示されるように、プレス成型材料２３の中央から長さ２５０ｍｍ、幅２５ｍｍのサイズとなるように切り出される。なお、試料Ｔ４の長辺方向は、最表層の繊維方向Ａに平行である。試料Ｔ４を、プレス成型のチャージ部と称する。
【００７４】
プレス成型材料２３の試料Ｔ５は、図１３に示されるように、プレス前には積層体２０が配置されていなかった領域のプレス成型材料２３から長さ２５０ｍｍ、幅２５ｍｍのサイズとなるように切り出される。なお、試料Ｔ５の長辺方向は、最表層の繊維方向Ａに平行である。試料Ｔ５を、プレス成型の流動部と称する。
【００７５】
以上のように切り出された試料Ｔ１〜Ｔ５の長辺方向の両端にタブが取り付けられ、物性測定装置２００は試料Ｔ１〜Ｔ５の引張弾性率を測定する。測定結果によれば、試料Ｔ１の引張弾性率は１０６．２ＧＰａ、試料Ｔ２の引張弾性率は６．５ＧＰａ、試料Ｔ３の引張弾性率は３５．０ＧＰａ、試料Ｔ４の引張弾性率は２９．９ＧＰａ、試料Ｔ５の引張弾性率は３７．２ＧＰａであった。これらの算出結果は、表１に示される。
【表１】
2016090259.tif 000008
【００７６】
次に、Ｘ線回折装置１００は、試料Ｔ１〜Ｔ５の繊維配向度を算出する。本実施例では、Ｘ線回折装置１００として、回転対陰極型Ｘ線発生装置（株式会社リガク社製、製品名：ＴＴＲ−ＩＩＩ）が用いられる。Ｘ線源はＣｕＫα線（Ｎｉフィルター）であり、出力は５０ｋＷ−３００ｍＡ（＝１５Ｗ）である。検出器はＮａＩシンチレーションカウンターであり、２θ＝２５．４°である。アタッチメントとして繊維試料台が用いられる。走査範囲は０°〜３６０°、スキャンスピードは４５°／ｍｉｎ、サンプリング幅は０．３６°である。ビーム径は３ｍｍである。
【００７７】
Ｘ線回折装置１００は、試料Ｔ１〜Ｔ５の１次元配向プロファイルを測定する。また、繊維配向度算出装置３００は、Ｘ線回折装置１００によって測定された試料Ｔ１〜Ｔ５の１次元プロファイルに基づき、試料Ｔ１〜Ｔ５の結晶配向度を求める。
【００７８】
すなわち、繊維配向度算出装置３００は、前述の（式１）を用いて試料Ｔ２〜Ｔ５の配向係数ａを算出する。また、繊維配向度算出装置３００は、試料Ｔ２〜Ｔ５の配向係数ａに基づき、前述の（式２）を用いて試料Ｔ２〜Ｔ５の結晶配向度ｆａを算出する。
【００７９】
また、繊維配向度算出装置３００は、前述の（式３）を用いて試料Ｔ１の配向係数ｂを算出する。また、繊維配向度算出装置３００は、試料Ｔ１の配向係数ｂに基づき、前述の（式４）を用いて試料Ｔ１の結晶配向度ｆｂを算出する。これらの算出結果によれば、試料Ｔ１の結晶配向度ｆｂは０．５６、試料Ｔ２の結晶配向度ｆａは−０．５６、試料Ｔ３の結晶配向度ｆａは０．０２、試料Ｔ４の結晶配向度ｆａは−０．０５、試料Ｔ５の結晶配向度ｆａは０．２０であった。これらの算出結果は、前述の表１に示される。
【００８０】
また、繊維配向度算出装置３００は、試料Ｔ２〜Ｔ５の結晶配向度ｆａ及び試料Ｔ１の結晶配向度ｆｂに基づき、前述の（式５）を用いて試料Ｔ１〜Ｔ５の繊維配向度ｆを算出する。これらの算出結果によれば、試料Ｔ１の繊維配向度ｆは１．００、試料Ｔ２の繊維配向度ｆは−１．００、試料Ｔ３の繊維配向度ｆは０．０３、試料Ｔ４の繊維配向度ｆは−０．０８、試料Ｔ５の繊維配向度ｆは０．３６であった。これらの算出結果は、前述の表１に示される。
【００８１】
図１４は、試料Ｔ１〜Ｔ５の引張弾性率及び繊維配向度がプロットされた散布図である。図１４において、横軸（ｘ軸）は繊維配向度であり、縦軸（ｙ軸）は引張弾性率である。繊維配向度算出装置３００は、表１に示される試料Ｔ１〜Ｔ５の引張弾性率及び繊維配向度に基づいて、図１４に示される近似式を算出する。具体的には、下記の（式６）に示される近似式が算出された。
【数６】
2016090259.tif 000009
【００８２】
次に、算出した近似式の妥当性について検証する。プレス成型の流動部は、もともと繊維が存在せず、チャージ部から繊維が流動して充填されるため、繊維の状態が複雑になっている。前述した試料Ｔ５の引張弾性力は、流動部におけるＡ方向（図１３における上下方向）の引張弾性力である。これに対し、算出した（式６）の近似式を用いて、流動部におけるＡ方向に直交する方向（図１３における左右方向）の引張弾性力を算出し、算出結果が妥当であるかどうかについて検証する。
【００８３】
具体的には、繊維配向度算出装置３００は、試料Ｔ５の１次元プロファイルをマイナス側に９０°シフトすることにより、流動部におけるＡ方向に直交する方向（図１３における左右方向）の１次元プロファイルを算出する。そして、繊維配向度算出装置３００は、（式１）〜（式５）を用いて繊維配向度ｆを求める。この算出結果によれば、流動部におけるＡ方向に直交する方向（図１３における左右方向）の結晶配向度ｆａは−０．２０、繊維配向度ｆは−０．３６であった。
【００８４】
繊維配向度算出装置３００は、（式６）に示される近似式にｘ＝−０．３６を代入して引張弾性率を算出する。この算出結果によれば、引張弾性率は１７．２ＧＰａであった。
【００８５】
一方、プレス成型材料２３の試料Ｔ６は、図１５に示されるように、プレス成型材料２３の左端から長さ５０ｍｍ、幅２５ｍｍのサイズとなるように切り出される。試料Ｔ６の長辺方向の両端にタブが取り付けられ、物性測定装置２００は試料Ｔ６の引張弾性率を測定する。試料Ｔ６の引張弾性率は、図１５に示されるＡに直交する方向の引張弾性率である。
【００８６】
測定結果によれば、試料Ｔ６の引張弾性率は１７．７ＧＰａであった。算出された引張弾性率（１７．２ＧＰａ）は測定された引張弾性率（１７．７ＧＰａ）と実質的に同等である。したがって、本実施例において算出された近似式は妥当である。
【００８７】
以上説明したように、本実施形態によれば、繊維複合材料の繊維配向度を高精度に算出することができる。また、本実施形態によれば、力学物性が測定できないような複雑な形状の部分の力学物性を、繊維配向度に基づいて算出することができる。
【００８８】
（比較例１）
比較例１では、Ｘ線ＣＴ装置を用いて繊維配向度及び引張弾性率の算出を試みた。まず、プレス成型材料の試料Ｔ７が、プレス成型の流動部から長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍのサイズとなるように切り出される。なお、試料Ｔ７の長辺方向は、最表層の繊維方向Ａに平行である。
【００８９】
Ｘ線ＣＴ装置として、ヤマト科学製ＴＤＭ１０００Ｓμが用いられる。再構成画素サイズは０．００４ｍｍである。Ｘ線ＣＴ装置によって得られた画像から、ラトックエンジニアリングシステム製の画像解析ソフトを用いて、繊維と樹脂を切り分けて繊維のみを抽出する処理が行われた。
【００９０】
しかしながら、繊維と判断する基準が作業者によって異なり、繊維配向度の算出が困難であった。このため、本比較例１では、作業者に依存しない評価手順を作成する必要性が、新たな課題として生じた。
【００９１】
（比較例２）
比較例２では、画像解析法によって繊維配向度及び引張弾性率の算出を試みた。比較例１と同様に、プレス成型の流動部から長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍのサイズの試料Ｔ７が切り出される。作業者は、試料Ｔ７を鏡面研磨し、１００倍から５００倍程度のレンズを使って顕微鏡で観察した。
【００９２】
しかしながら、試料Ｔ７の１つの断面は、試料Ｔ７を代表した断面であるとは断定できない。このため、研磨と観察を繰り返して試料Ｔ７全体を把握する必要があるが、作業者にとって膨大な作業となる。したがって、本比較例２では、繊維配向度の算出が困難であった。
【００９３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９４】
１００  Ｘ線回折装置
２００  物性測定装置
３００  繊維配向度算出装置
３０１  プロファイル取得部
３０２  結晶配向度算出部
３０３  繊維配向度算出部
３０４  表示部
３０５  近似式算出部
３０６  物性算出部
３１０  制御部
【図１】
2016090259.tif 000015
【図２】
2016090259.tif 000016
【図３】
2016090259.tif 000017
【図４】
2016090259.tif 000018
【図５】
2016090259.tif 000019
【図６】
2016090259.tif 000020
【図７】
2016090259.tif 000021
【図８】
2016090259.tif 000022
【図９】
2016090259.tif 000023
【図１０】
2016090259.tif 000024
【図１１】
2016090259.tif 000025
【図１２】
2016090259.tif 000026
【図１３】
2016090259.tif 000027
【図１４】
2016090259.tif 000028
【図１５】
2016090259.tif 000029