(57)【要約】      （修正有）【課題】繊維に大きさの制御が可能な欠陥を形成することで、サンプル数が少なくて済み、かつ、欠陥の大きさを明確に定義できることで、繊維の臨界応力拡大係数を高い精度で求めることができる繊維の臨界応力拡大係数の測定方法を提供する。【解決手段】繊維表面にレーザーを照射し、繊維直径の１％以上、５０％以下の大きさを有する半球状欠陥を形成し、該繊維を、引張試験により該半球状欠陥部位で破断させ、該繊維の破断強度と半球状欠陥の大きさから、ＫＩＣ＝σ√（πｃ）により臨界応力拡大係数を求めることを特徴とする繊維の臨界応力拡大係数の測定方法。ここで、ＫＩＣは臨界応力拡大係数、σは破断強度、ｃは半球状欠陥の大きさ、πは円周率である。【選択図】図１
2009063556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の手順を特徴とする繊維の臨界応力拡大係数の測定方法。
（１）繊維表面にレーザーを照射し、繊維直径の１％以上、５０％以下の大きさを有する半球状欠陥を形成する。
（２）該繊維を、引張試験により該半球状欠陥部位で破断させる。
（３）該繊維の破断強度と半球状欠陥の大きさから、下式により臨界応力拡大係数を求める。
【数１】
2009063556.tif 000009
ここで、ＫＩＣは臨界応力拡大係数、σは破断強度、ｃは半球状欠陥の大きさ、πは円周率である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維の臨界応力拡大係数の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ（繊維強化複合材料）の基材として用いられる繊維には、炭素繊維やガラス繊維等があり、これらの繊維はいずれも強度（破断強度）や弾性率に優れている。ＦＲＰの物性には、繊維の物性が大きく寄与している。そのため、ＦＲＰの物性向上には、繊維の物性向上が不可欠である。
繊維に限らず、材料一般の高強度化には２つの方向性がある。１つ目は破壊を引き起こす欠陥（窪みや亀裂）の大きさを小さくすることである。２つ目は材料そのものの強度を強くすることであり、臨界応力拡大係数や破壊靭性値として表現される。破壊力学に基づいてこの２つの方向性を式に表すと式（１）となる。
【０００３】
【数１】
2009063556.tif 000003
ここで、σは破断強度、ＫＩＣは臨界応力拡大係数、Ｍは欠陥の形状因子（または補正係数ともいう）、ｃは欠陥の大きさ、πは円周率である。
【０００４】
式（１）より欠陥の形状因子を固定した場合(Ｍ＝一定とした場合）、強度を向上させるには、分母である欠陥の大きさを小さくすることと、分子である臨界応力拡大係数を大きくすることが望まれる。繊維の強度を考える上でも同様に、繊維中に存在する欠陥の大きさの最小化、および繊維の臨界応力拡大係数の最大化によって、繊維の高強度化が望まれる。
【０００５】
近年、航空機や産業用途で需要が高まっている炭素繊維について、その高強度化に対する技術背景を以下に述べる。
炭素繊維は、熱炭化性ポリマーからなる炭素前駆体繊維を焼成することで得られるが、その際、繊維軸と平行な方向に炭素網面が発達して、それら炭素網面の積層構造が形成されることで、炭素繊維の弾性率、強度が発現される。
弾性率については、黒鉛結晶化度と正の相関があり、さらに黒鉛結晶化度については、焼成温度と正の相関がある。ゆえに、弾性率の高い炭素繊維を得るためには、一般に焼成温度が主な変数となる。
これに対して、強度は上述の通り、繊維中に含まれる欠陥の大きさと繊維の臨界応力拡大係数の２変数が関係する。例えば、製造条件の変更により強度が低下した場合、その原因が、欠陥の大きさが大きくなったためであるのか、臨界応力拡大係数が小さくなったためであるのかが不明であり、製造条件の改良に向けた明確な指針が得られないという問題があった。
【０００６】
この問題の解決のためには、製造条件の変化に伴う強度の変化を、欠陥の大きさの変化と臨界応力拡大係数の変化に分離して、２つの要因を定量的に把握する必要がある。
マクロな材料では、その繊維のサンプルに大きさの制御された欠陥（クラックや切欠き）を入れて引張試験をすることで、式（１）において臨界応力拡大係数を求めるのが一般的である。しかし、炭素繊維のような直径５μｍ程度のミクロな材料では、大きさの制御されたクラックや切欠きを入れるのは難しい。
【０００７】
ミクロな繊維に欠陥を形成する方法としては、例えば非特許文献１において、ポリエチレンテレフタレート繊維に、集束イオンビームミリング装置を用いてノッチ（切欠き状の欠陥）を形成し、欠陥面積と破断強度の関係から、繊維の欠陥敏感性を評価する方法が提案されている。この方法で形成されるノッチは、繊維軸方向に対して垂直方向にレーザーを照射するので、欠陥の形状は繊維断面を円とした場合に、円の弦と弧で囲まれた形状のノッチが形成される。
しかしながら、非特許文献１においては、ノッチの大きさはノッチの面積の１／２乗であると仮定しているだけであり、上記のようなノッチの形状から、ノッチの大きさ、つまり、式（１）における欠陥の大きさを正確に測定するのは難しい。このように、ミクロな繊維に人為的な欠陥を形成し、かつ、その欠陥の大きさを正確に測定し、定義するのは難しいことであった。
【０００８】
したがって、炭素繊維の欠陥の大きさや臨界応力拡大係数の測定方法においては、従来、炭素繊維に特定の欠陥を作製せずに、引張試験により引張破断させて、その破断面に実在または仮定する欠陥をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察する手法が一般的であった。
【０００９】
破断面に自然に実在する欠陥から臨界応力拡大係数を求める方法について述べる。炭素繊維において、ＳＥＭで観察可能な欠陥としては、炭素前駆体繊維の紡糸原液に混入する異物、炭素前駆体繊維の紡糸・延伸過程で発生するボイド、炭素前駆体繊維がロールやガイドを通過するときの擦れ傷、または炭素前駆体繊維同士の擦れ傷など、多種多様な欠陥がある。ＳＥＭにより破断面を観察することで、これら欠陥の形状因子（Ｍ）や欠陥の大きさ（ｃ）を測定し、これを式（１）に代入して臨界応力拡大係数（ＫＩＣ）を求めることができる。
しかしながら、繊維の欠陥には多種多様な種類があるため、欠陥の形状因子や欠陥の大きさも多岐にわたる。したがって、破断面に自然に実在する欠陥から、高い精度で臨界応力拡大係数を求める場合には、サンプル数を増やさなくてはならない。
また、非特許文献２に記されているように、破断面には必ずしもＳＥＭで観察できるような明確な形状を持った欠陥があるわけではなく、破断原因が不明な場合もある。この場合、欠陥の形状因子や欠陥の大きさは測定できないので、臨界応力拡大係数も求められない。したがって、このようなサンプルは除外しなくてはならない。特に、工程のクリーン化や最適化が進むと、このような欠陥の不明確なサンプルが増えるので、除外すべきサンプルが増加する。
【００１０】
破断面に仮定する欠陥から臨界応力拡大係数を求める方法については、特許文献１に提案されている。この提案によると、炭素繊維の単繊維の破断面には、破壊初期の比較的凹凸の少ない平坦な領域（初期平坦領域）と、凹凸の激しい放射状の条痕の存在する領域とが認められるとして、この初期平坦領域の大きさを欠陥と仮定し、この仮定した欠陥と単繊維強度とから、臨界応力拡大係数が求められるとしている。
【特許文献１】国際公開第９７／４５５７６号パンフレット
【非特許文献１】ＳＥＮ’Ｉ  ＧＡＫＫＡＩＳＨＩ  Ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．１１「ポリエチレンテレフタレート繊維の欠陥の解析」（塩谷正俊  他）ｐ．３４６−３５１
【非特許文献２】日本セラミックス協会学術論文誌９８［４］「複数の破壊原因が共存する単繊維の欠陥寸法分布関数の導出と炭素繊維への応用」（松尾陽太郎  他）ｐ．３８９−３９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、この提案による方法で初期平坦領域と放射状の条痕の存在する領域との境界を特定することは、実際にはかなり難しく、初期平坦領域の大きさを明確に定義できないという問題がある。また、初期平坦領域が引張試験前から炭素繊維内に潜在していたとは断定できず、引張初期の安定破壊によって形成された可能性もあり、初期平坦領域の全てを欠陥として仮定できるのか難しいところである。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、大きさの制御された欠陥を形成でき、かつ、欠陥の大きさを明確に定義できることで、サンプル数が少なくても繊維の臨界応力拡大係数を高い精度で求めることができる繊維の臨界応力拡大係数の測定方法を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
下記の手順を特徴とする繊維の臨界応力拡大係数の測定方法。
（１）繊維表面にレーザーを照射し、繊維直径の１％以上、５０％以下の大きさを有する半球状欠陥を形成する。
（２）該繊維を、引張試験により該半球状欠陥部位で破断させる。
（３）該繊維の破断強度と半球状欠陥の大きさから、下式（３）により臨界応力拡大係数を求める。
【数２】
2009063556.tif 000004
ここで、ＫＩＣは臨界応力拡大係数、σは破断強度、ｃは半球状欠陥の大きさ、πは円周率である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の繊維の臨界応力拡大係数の測定方法によると、大きさの制御された欠陥を形成でき、かつ、欠陥の大きさを明確に定義できることで、サンプル数が少なくても臨界応力拡大係数を高い精度で求めることができる。これにより、繊維の強度向上策について速やかに指針が得られ、ひいては高強度な繊維の開発に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、レーザーを照射することで、繊維に繊維直径の１％以上、５０％以下の大きさを有する半球状欠陥を形成することを特徴とし、引張試験によって測定された破断強度と、該繊維の破断面のＳＥＭ観察による画像解析によって測定された半球状欠陥の大きさから、繊維の臨界応力拡大係数を求める測定方法を提供するものである。
【００１５】
本発明の臨界応力拡大係数の測定方法を適用しうる繊維としては、レーザーを完全に透過する繊維以外は特に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、各種金属繊維、各種有機繊維が挙げられる。
上述した式（１）は、主に材料が脆性破壊（破断するまでに著しい伸びまたは絞りを伴わない破壊。）する際に適用される式であるので、常温において塑性変形（繊維に力を加えた後に、元の状態に戻らない状態になること。）する繊維は、低温において引張試験、または常温において、高速で引張試験することで脆性破壊を起こす必要がある。この点において、本発明の臨界応力拡大係数の測定方法は、常温で脆性破壊を起こす炭素繊維またはガラス繊維に好ましく適用される。レーザー光の透過成分や反射成分によるエネルギー損失を考慮する必要がない点において、黒色である炭素繊維に対して適用されるのがさらに好ましい。
【００１６】
このような繊維の単繊維を適当な長さに切断してサンプルとし、これを台紙などに貼り付けて固定し、このサンプルの表面にレーザーを照射して、半球状欠陥を形成する。
レーザーを照射するレーザー・インターフェース・システムとしては、繊維表面に欠陥を生じさせるのに適したレーザーを照射できるものであれば特に限定されないが、例えば、フォトニックインストゥルメンツ社製のマイクロポイントなどが挙げられる。
レーザーの集光に必要な光学顕微鏡としては、繊維表面の所望の位置にレーザーを集光できるものであれば特に限定されないが、例えば、ニコン社製のＥＣＬＩＰＳＥ  ＬＶ１００などが挙げられる。
レーザーは、繊維に欠陥を作成するのに必要なエネルギーを備えていれば特に限定されない。強度の強いレーザーにおいてはフィルター等を用いて減光すればよい。
【００１７】
レーザーを照射することによって半球状欠陥を形成するには、レーザーを目標の欠陥の大きさと同程度に絞る必要がある。レーザーを絞るにはスリット等を用いてレーザーを絞る方法と、レンズ等を用いてレーザーを集光させて焦点部分のみ局所的に絞る方法とがある。一般に、レーザーをレンズ等で集光させたほうが、レーザーエネルギーを有効に利用することになると共に、焦点部分以外の場所ではレーザー光が発散し、その単位面積あたりの照射エネルギーが弱まるため、安全性が高い。したがって、本発明では、光学顕微鏡の対物レンズを用いてレーザーを集光させる方法が用いられる。この方法は、光学顕微鏡で半球状欠陥の作成位置を決めることができるので、操作が簡便であり、大きさの制御された欠陥も簡便に形成できる。なお、この光学顕微鏡に用いられる対物レンズの倍率は、１０〜１００倍が好ましく、より好ましくは５０〜１００倍である。
【００１８】
上記のようにして形成される半球状欠陥は、すり鉢状に窪んだ形状をしている。半球状欠陥の窪みの形状は、使用する対物レンズの倍率によって決まる。ここで、半球状欠陥の窪みの形状は、図１における半球状欠陥の最深部をｂとして、ｂの曲率半径（曲線の局所的な曲がり具合を円に近似させたときの円の半径。）の大きさで表される。対物レンズの倍率が大きくなるにしたがい、レーザーはより集約されて、繊維表面のより狭い面積に対して照射され、その結果、ｂの曲率半径は小さくなる。一方、対物レンズの倍率が小さくなるにしたがい、レーザーの集約は弱まり、繊維表面のより広い面積に対して照射され、その結果、ｂの曲率半径は大きくなる。
このように、使用する対物レンズの倍率によって、半球状欠陥の窪みの形状は変化するが、本発明では後述する理由によって、対物レンズの倍率を固定し、半球状欠陥の窪みの形状を一定としている。
【００１９】
半球状欠陥の大きさは、図１に示すように、半球状欠陥によって削除された繊維外周の中心点をａとして、ａとｂとを実線で結んだ長さｃ、すなわち、半球状欠陥の窪みの深さで表される。繊維に形成する半球状欠陥の大きさは、レーザーの強度および対物レンズの倍率によって決まる。
レーザーの強度が強いと半球状欠陥の大きさが大きくなり、レーザーの強度を弱めると、半球状欠陥の大きさは小さくなる。レーザーの強度は、光学顕微鏡の開口絞り、視野絞り、ＮＤフィルター、アッテネータなどによって適宜調整される。
対物レンズの倍率が小さいとレーザーの集約は弱まり、繊維表面のより広い面積に対して照射され、その結果、半球状欠陥の大きさが大きくなる。
【００２０】
レーザーの照射によって形成される半球状欠陥の大きさは、繊維直径の１％以上、５０％以下とする。１％未満では、引張試験の際に半球状欠陥から破断しない確率が高まり、本発明が解決しようとする課題は解決されない。５０％を超えると、後述する式（３）の適用限界を超えるため、同じく本発明が解決しようとする課題は解決されない。なお、繊維直径とは、繊維断面積を円周率で割ったものを１／２乗し、さらに２を掛けたものである。
【００２１】
このようにして該半球状欠陥が形成された繊維に対して、引張試験により該半球状欠陥部位で破断させて、繊維の破断荷重を測定する。
引張試験機としては、繊維の引張試験に適したものであれば特に限定されないが、例えば、ＴＯＹＯ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ  ＣＯ．，ＬＴＤ社製のＴＥＮＳＩＦＯＮ  ＵＴＭ−ＩＩＩなどが挙げられる。
引張試験において、繊維を引っ張る際の引張速度は、１０ｍｍ／ｍｉｎ〜０．５ｍｍ／ｍｉｎが好ましい。
なお、引張試験に際して、繊維のサンプルが破断後に収縮破壊する繊維については、収縮破壊を抑制する必要がある。収縮破壊を抑制して引張試験を行う方法としては、繊維のサンプルを水中もしくはゲル中に浸して引張試験を行う方法、または、繊維のサンプルをフィルムで挟み、該フィルム内を粘性液体で満たした状態で引張試験を行う方法が挙げられる。
【００２２】
このようにして引張試験を行った繊維は、次いで、水で洗浄され、自然乾燥された後、ＳＥＭ観察用試料台に固定され、ＳＥＭによる破断面の観察が行われる。そして、繊維の破断面を真上から観察したＳＥＭ画像をパソコンに取り込み、画像解析ソフトにより画像解析して、半球状欠陥の大きさと繊維断面積とを測定する。繊維断面積は、図１に示すように、繊維の破断面を真上から観察した場合の断面積から半球状欠陥部分の面積を除外した面積、すなわち破線で囲まれた部分の面積である。なお、画像解析ソフトは公知のものを用いることができ、例えば、Ｍｅｄｉａ  Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製のＩｍａｇｅ  Ｐｒｏ  ＰＬＵＳなどが挙げられる。
【００２３】
次に、繊維の破断強度と半球状欠陥の大きさとから、臨界応力拡大係数を求める計算式について説明する。
本発明においては、対物レンズを一定倍率に固定し、半球状欠陥の窪みの形状を一定とすることで、主に亀裂状の欠陥に適用できるとされる式（１）を半球状欠陥に適用して、式（２）に置き換えることができる。
【００２４】
【数３】
2009063556.tif 000005
【００２５】
すなわち、対物レンズを一定倍率に固定することで、式（１）における欠陥の形状因子Ｍを定数とし、式（１）の（ＫＩＣ／Ｍ）を新しく臨界応力拡大係数（ＫＩＣ）とすることで、式（２）を得ることができる。さらに、式（２）のＫＩＣを左辺に、破断強度σを右辺に移動させると、式（３）となる。ここで、ＫＩＣは臨界応力拡大係数、σは破断強度、ｃは半球状欠陥の大きさ、πは円周率である。
【００２６】
【数４】
2009063556.tif 000006
【００２７】
すなわち、破断強度σと半球状欠陥の大きさとから、臨界応力拡大係数が求められる。なお、破断強度は、破断加重／繊維断面積で求めることができる。すなわち、上述の引張試験で測定した破断加重を、破断面のＳＥＭ観察で測定した繊維断面積で除することで、破断強度が求められる。この破断強度と、ＳＥＭ観察で測定された半球状欠陥の大きさを式（３）に代入することで、本発明の目的とする臨界応力拡大係数が求められる。
【００２８】
本発明の臨界応力拡大係数の測定方法によると、レーザーの照射により繊維に半球状欠陥を人為的に形成し、引張試験により該繊維を半球状欠陥の部位で破断させ、繊維の破断面を画像解析によって測定することで、繊維断面積と半球状欠陥の大きさを正確に測定でき、以って、欠陥の大きさを明確に定義できる。
さらに、本発明では、繊維の引張試験および繊維の破断面の画像解析により測定された繊維断面積から破断強度を求め、この破断強度と半球状欠陥の大きさを式（３）に代入することで、サンプル数が少なくても臨界応力拡大係数を高い精度で求めることができる。これにより、例えば、炭素繊維の高強度化に関する開発において、炭素繊維の強度向上策についての速やかな指針を得ることができる。
【実施例】
【００２９】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本実施例における測定値は、用いた繊維のサンプル中における有効サンプルの平均値とした。なお、有効サンプルの判定は、次の方法で行った。
＜有効サンプルの判定＞
以下に該当するサンプルは無効サンプルとして除外し、それ以外のサンプルを有効サンプルとした。
Ａ．引張試験前に破断したサンプル
引張試験前に破断したサンプルは、無効サンプルとして除外した。
Ｂ．対の両方が破損または紛失したサンプル
引張試験によって２つになったサンプル対のうち、ＳＥＭ観察試料を作成するまでの段階で、対の両方が破損または紛失したサンプルは、無効サンプルとして除外した。
Ｃ．破断面にゴミなどが付着したサンプル
ＳＥＭ観察において、破断面にゴミなどが付着して明瞭に観察できないサンプルは、半球状欠陥によって削除された繊維外周の中心点または半球状欠陥の最深部が特定できず、半球状欠陥の大きさｃを求めることができないため、無効サンプルとして除外した。また、１μｍ以上のゴミが付着し、半球状欠陥部分では繊維内部を通るように繊維外周を画像解析できないサンプルについても、無効サンプルとして除外した。なお、１μｍ未満のゴミであれば、ゴミの前後での繊維外周または半球状欠陥の曲率を考慮して、手動で曲線を引いて明瞭に観察できるため、有効サンプルとした。
Ｄ．傷や原因不明の欠陥によって破壊したサンプル
半球状欠陥を作製したにもかかわらず、非特許文献２に記されるように、傷や原因不明の欠陥によって破壊されるサンプルがある。このようなサンプルについても無効サンプルとして除外した。
【００３０】
＜＜実施例１＞＞
＜繊維のサンプルの作製＞
密度１．８０ｇ／ｃｍ３、ストランド強度５６５ｋｇ／ｍｍ２、ストランド弾性率２９．３ｔ／ｍｍ２のＰＡＮ系炭素繊維を使用した。この炭素繊維の単繊維を２０ｃｍに切断し、この単繊維の中央部をＪＩＳ  Ｒ７６０６に示される試料長１０ｍｍ用の単繊維引張試験の台紙に貼り付け固定し、台紙からはみ出た余分な部分を切断して取り除いた繊維長１０ｍｍのサンプルを１０個作製した。
【００３１】
＜半球状欠陥の作製＞
次いで、台紙に固定したこれらのサンプルに対し、以下のようにしてレーザーを照射することで半球状欠陥を形成した。すなわち、レーザー・インターフェース・システムには、フォトニックインストゥルメンツ社製のマイクロポイント（パルスエネルギー３００ｕＪ）を使用した。レーザーの集光に必要な光学顕微鏡には、ニコン社製のＥＣＬＩＰＳＥ  ＬＶ１００を使用した。光学顕微鏡の開口絞りは最小に、対物レンズは１００倍に設定した。この条件で、サンプルの繊維軸方向の中央部で、かつ、繊維軸に垂直方向の中央部に対して、アッテネータでレーザー強度を１０％減衰させた波長４３５ｎｍのレーザーを１パルス照射して、半球状欠陥を形成したサンプルを１０個得た。
【００３２】
＜引張試験＞
サンプルである炭素繊維が収縮破壊を起こさないように、台紙に貼り付けた状態のサンプルをさらにフィルムで挟み、フィルム内を粘性液体で満たして引張試験を行った。具体的には、幅約５ｍｍ、長さ約１５ｍｍのフィルムを用意して、サンプルの台紙の両面の上部に該フィルムを接着材で貼り付け、サンプルを覆うように台紙ごと該フィルムで挟み込んだ。このフィルム間をグリセリン水溶液（グリセリン１に対して水２の割合）で満たした上で、引張速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行い、破断荷重を測定した。引張試験機には、ＴＯＹＯ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ  ＣＯ．，ＬＴＤ社製のＴＥＮＳＩＦＯＮ  ＵＴＭ−ＩＩＩを使用した。
【００３３】
＜ＳＥＭ観察＞
次いで、引張試験で２つに分割されたサンプル対を台紙から取り出し、水で慎重に洗浄した後、自然乾燥させた。次いで、サンプルの破断面が上になるように、ＳＥＭ試料台にカーボンペーストで固定してＳＥＭ観察サンプルを作製した。得られたＳＥＭ観察サンプルを、日本電子社製のＪＳＭ６０６０（加速電圧１０〜１５ｋＶ、倍率１００００〜１５０００）にて破断面をＳＥＭ観察した。なお、炭素繊維には導電性があるために、このＳＥＭ観察サンプルには蒸着処理を行わずにＳＥＭ観察を行った。
【００３４】
＜画像解析＞
得られたＳＥＭ画像をパソコンに取り込み、画像解析ソフトにより画像解析して、半球状欠陥の大きさと繊維断面積を測定した。画像解析ソフトには、Ｍｅｄｉａ  Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製のＩｍａｇｅ  Ｐｒｏ  ＰＬＵＳを用いた。
半球状欠陥の大きさは、図１の実線に示す長さ、すなわち、半球状欠陥によって削除された繊維外周の中心点（ａ）と、半球状欠陥の最深部（ｂ）とをパソコンのマウスを使って手動で選択し、その２点を結んだ距離（ｃ）であり、これを画像解析ソフトで測定することで得られた。
繊維断面積は、図１の破線部に示すように、半球状欠陥部分では繊維内部を通るように繊維外周をパソコンのマウスを使って手動でなぞり、破線部の面積を求めることにより得られた。なお、手動の操作により得られる繊維断面積および半球状欠陥の大きさ（ｃ）の個人差は、無視できるほど小さいことを確認している。
半球状欠陥の大きさと繊維断面積について、対となる両方のサンプルが有効サンプルであれば、両方の有効サンプルの測定値の平均を代表値とした。また、片方のサンプルのみ有効サンプルであれば、その値を代表値とした。
＜臨界応力拡大係数の計算＞
次に、破断荷重／繊維断面積＝破断強度σ、すなわち、引張試験にて求められた破断荷重を、破断面のＳＥＭ観察から求められた繊維断面積で除することにより、破断強度σを求めた。そして、破断強度σと半球状欠陥の大きさから、（３）式により臨界応力拡大係数を求めた。なお、強度の単位の変換に際しては１ｋｇ・ｆ＝９．８Ｎとする。これら各種設定条件、測定値および臨界応力拡大係数を表１に示す。
【００３５】
【数５】
2009063556.tif 000007
ここで、ＫＩＣは臨界応力拡大係数、σは破断強度、ｃは半球状欠陥の大きさ、πは円周率である。
【００３６】
＜＜実施例２＞＞
実施例１と同様の方法で炭素繊維のサンプルを１０個作製した後、アッテネータでレーザー強度を１６％減衰させた以外は実施例１と同様のレーザーを１パルス照射し、サンプルに半球状欠陥を形成した。これらのサンプルに対して、実施例１と同様の方法で各種評価を行った。結果を表１に示す。
【００３７】
＜＜実施例３＞＞
実施例１と同様の方法で炭素繊維のサンプルを１０個作製した後、アッテネータでレーザー強度を２０％減衰させた以外は実施例１と同様のレーザーを１パルス照射し、サンプルに半球状欠陥を形成した。これらのサンプルに対して、実施例１と同様の方法で各種評価を行った。結果を表１に示す。
【００３８】
＜＜実施例４＞＞
密度１．８０ｇ／ｃｍ３、ストランド強度４６１ｋｇ／ｍｍ２、ストランド弾性率２５．６ｔ／ｍｍ２のＰＡＮ系炭素繊維を使用した。また、実施例１と異なり、試料長２５ｍｍ用の単繊維引張試験の台紙を使用して、繊維長２５ｍｍサンプルを２５個作製した。そして、サンプルである炭素繊維が収縮破壊を起こさないように使用したフィルムを幅約５ｍｍ、長さ約３０ｍｍに、引張速度を１ｍｍ／ｍｉｎに、半球状欠陥の作製の際にＮＤフィルターでレーザーを９８％減衰させた以外は、実施例１と同様にして引張試験を行い、破断荷重を測定した。
そして、得られたサンプル対に対して、実施例１と同様の方法で各種評価を行った。結果を表１に示す。
【００３９】
＜＜実施例５＞＞
密度１．８１ｇ／ｃｍ３、ストランド強度５３７ｋｇ／ｍｍ２、ストランド弾性率３２．１ｔ／ｍｍ２のＰＡＮ系炭素繊維を使用した以外は実施例４と同様の操作を行い、さらに実施例４と同様の方法で各種評価を行った。結果を表１に示す。
【００４０】
＜＜比較例１＞＞
実施例１と同様の方法で炭素繊維のサンプルを１０個作製した。ここで、上述の各実施例とは異なり、比較例のサンプルにはレーザーを照射しなかった。そして、これらサンプルに対して、実施例１と同様に引張試験を行ない、破断面のＳＥＭ観察を行った。結果を表１に示す。
【００４１】
＜＜比較例２＞＞
実施例１と同様の方法で炭素繊維のサンプルを１０個作製した。そして、顕微鏡の開口絞りを最大にして、かつアッテネータやＮＤフィルターを使用しなかった以外は実施例１と同様にして、比較例２のサンプルを得るためレーザーを照射した。結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
2009063556.tif 000008
【００４３】
＜評価＞
表１に示すように、実施例１〜３においては、サンプル１０個に対して有効サンプルを８個または９個得ることができた。また、破断はレーザーを照射した繊維軸方向の中央部のみで起こり、収縮破壊も確認されなかった。これにより、少ないサンプル数でもレーザー照射により有効サンプルが良好に得られることが示された。
実施例４，５においては、半球状欠陥の大きさがほぼ同じで、臨界応力拡大係数に差が確認された。ここで、実施例４，５の半球状欠陥の大きさがほぼ同じであるにも関わらず、実施例４のサンプルのストランド強度が実施例５のサンプルに比べて低いのは、臨界応力拡大係数が低いためであり、これは製造条件の改良に向けた明確な指針となり、本発明の意義は大きいことが確認された。
【００４４】
また、各実施例では、図２、図３に示した実施例１の破断面に代表されるように、破断面には半球状欠陥が存在していた。これにより、レーザーの照射により繊維に半球状欠陥を人為的に形成し、かつ引張試験で破断させた繊維の破断面を、画像解析によって測定することで、半球状欠陥の大きさを明確に定義できることが示された。また、半球状欠陥の先端近傍から放射状の凹凸が確認された。半球状欠陥付近では凹凸の差は小さく、半球状欠陥から遠ざかるにしたがって、凹凸の差が連続的に大きくなっていた。
また、各実施例では、半球状欠陥の大きさおよび繊維断面積の測定値を式（３）に代入することで、臨界応力拡大係数を高い精度で求めることができた。
【００４５】
一方、レーザー照射を行わなかった比較例１の有効サンプルは０個であった。したがって半球状欠陥の大きさおよび繊維断面積を測定することができず、臨界応力拡大係数は求まらなかった。特に、作製したサンプル１０個のうち、４個のサンプルについては、図４および図５に示すように、破断面に特異的な形状をした欠陥が観察されず、また、凹凸の平坦な領域と激しい領域に２分することができなかった。したがって、凹凸の平坦な領域を欠陥の大きさとして仮定することはできず、例えば、特許文献１に基づく方法を用いたとしても、臨界応力拡大係数を求めることはできないことが確認された。
【００４６】
また比較例２では、レーザーの照射と同時にサンプルが破壊・飛散して、有効サンプルが０個となった。したがって、半球状欠陥の大きさ、および繊維断面積を測定することができず、応力拡大係数を求めることができなかった。これにより、レーザーの強度は、光学顕微鏡の開口絞り、視野絞り、ＮＤフィルター、アッテネータなどによって適宜調整しなければならないことが確認された。
【００４７】
なお、表１の「破断荷重、繊維断面積、半球状欠陥の大きさ」は、いずれも有効サンプルの平均値である。これらの平均値から求めた臨界応力拡大係数は、有効サンプルの臨界応力拡大係数をそれぞれ求めた上で、それらの平均値を求めた表１の「臨界応力拡大係数」とは値が異なる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】炭素繊維の破断面における半球状欠陥の大きさ（実線）と繊維断面積（破線で囲まれた面積）を示したＳＥＭ画像の画像解析図。
【図２】本発明の測定方法の手順によってレーザー照射、引張試験を行った実施例１の炭素繊維の破断面のＳＥＭ画像。
【図３】図１の炭素繊維の破断面を真上から観察したＳＥＭ画像。
【図４】比較例１の測定方法の手順によってレーザー照射、引張試験を行った炭素繊維の破断面のＳＥＭ画像。
【図５】図４の炭素繊維の破断面を真上から観察したＳＥＭ画像。
【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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