AE 法を用いた CFRP 製品の健全性評価手法着目した AE（Acoustic Emission）法を用いた健全性

1. はじめに（2）（3）評価手法を検討している

繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：。本稿では、CFRP 板の引張試験や CFRP 製圧力容器の耐圧試験時のFRP）は、近年機械や構造物の材料として急速にAE 評価方法を紹介する。

普及しており、航空宇宙、船舶海洋など多くの分

2. AE 法を用いた CFRP 板の引張試験野で使用されている。水素貯蔵技術に着目すると、水素自動車や水素ステーションに設置される材料内部の微小な損傷の発生や変形に伴って放燃料タンクは炭素繊維強化プラスチック（CFRP）出される弾性波は AE と総称される。AE 法とは、を用いた容器となっており、信頼性、安全性が要この波を検出し、その特性を調べることにより材求されている。

料内部で発生する損傷を解析する方法である。

CFRP 材料の強度評価や CFRP を用いた製品の供図 1 に CFRP 板の引張試験において取得された用中ヘルスモニタリングでは応力負荷中に発生しAE 信 号 波 形 例 を 示 す。 破 断 荷 重 に 対 し て（a）

た損傷の種類を明確にする必要があるが、CFRP の17％、（b）25％、（c）37％の荷重で検知された AE 信

損傷には樹脂割れ、繊維と樹脂のはく離、繊維破号の波形を示す。周波数解析結果には、およそ（1）断、層間はく離などがあり、非常に複雑である 。

150kHz を境に二つのピーク周波数が現れる。この当社では、複雑な破壊形態を有する CFRP 材料

うち、150kHz 以上の高い周波数帯域では、ピークに対して、微小破壊に伴い発生する音（弾性波）に周波数が荷重とともに高くなっているのがわか

図1AE 取得波形例—20—

る。これは、試験体が弦の代わりになり、張力（荷の応力で試験を中止し、断面を観察した結果を示重）が高くなることにより周波数が高くなっていす。図 2（b）より、試験体の損傷は、①（300MPa）ると考えられる。一方で、150kHz 以下の低い周波までは、小さな樹脂割れであるマイクロクラック数帯では、荷重 25％まではピーク周波数が高くのみの発生、①～②（300 ～ 650MPa）では繊維間のなっているが、37％になるとピーク周波数が低下

樹脂割れであるマトリクスクラックの発生が確認しているのが確認できる。

できる。

図 1 より、150kHz 以下の周波数成分に着目する

これらのことから、試験体にほとんど損傷がなと、AE 信号の周波数スペクトラムは複数のピークい場合、重心周波数は応力に伴い高くなり、損傷周波数が確認できる。そのため、周波数変化を時が発生すると周波数が低くなることが確認できる。

間や荷重履歴で確認することを目的に、当社では、

3. CFRP 圧力容器における水耐圧試験周波数スペクトラムの加重平均を使って評価する方法を提案している。この加重平均を重心周波数CFRP 製圧力容器の水耐圧試験を通して、AE 解という。CFRP 引張試験中に取得された各 AE 信号

析法の適用性を確認した。圧力容器は、F300mm、の重心周波数を計算し、引張応力（横軸）と重心周全長 1,100mm、樹脂ライナを採用したタイプⅣ波数（縦軸）に整理した（図 2）。図 2（a）に解析結果

CFRP タンクである（図 3）。図 3（a）に示すように、を示す。カラーマップは AE 信号の数を示していAE センサは 150kHz に共振周波数を持つプリアンる。図 2（b）には、異なる試験体を用い、図中①②プ内蔵型の AE センサ VS150-RIC を使用し、タン（a）重心周波数解析結果（b）断面視察結果

図2

AE 取得信号重心解析結果—

21—

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ク周方向に 3 個、軸方向に 5 箇所の計 15 個設置ししていた。このことから、本供試体の破断位置は、た。

エンド側ドーム部のライナ溶着部であった。その

図3（b）に水耐圧試験後のタンク外観を示す。破他の CFRP 部分に目立った損傷は見られなかった。

断位置は図中右側に示す水注入エンド側であっ

図 4 に設置した全てのセンサから得られた信号た。図 3（c）にエンド側破断部の拡大写真と、タンを用いて計算した重心周波数解析結果を示す。横ク破断後に分離したライナ部の写真を示す。分離軸に試験圧力（内圧）、縦軸に重心周波数、色合いしたライナ部を確認したところ、溶着部から破断は AE 発生数を示している。重心周波数は、内圧が30MPa に達するまで上昇し、その後、30 ～ 80MPaにかけて低下した。このことから、タンクの損傷は 30MPa から発生していると考えられる。
内圧 90MPa 以上では、重心周波数 80kHz 近傍にAE が集中している。これは、引張試験では確認されなかった集中部である。
圧力容器の各位置における重心周波数を解析す（a）タンク外観るため、15 個のセンサのうち、タンク軸方向の位置が同じ 3 個を 1 組とし、注水側に近い組からZONE01 ～ ZONE05 と仮称した。各 ZONE における重心周波数の解析結果を図 5 に示す。破断位置に最も遠い ZONE01 では、圧力 30MPa から破断に至るまで周波数は約 90kHz に集中し、周波数の低下（b）水耐圧試験後タンク外観は確認されなかった。その他の位置では、ZONE05に近くなるごとに、損傷発生のサインである低周波数成分が増加していることが確認できる。ZONE05に設置したセンサでは低い圧力の時から周波数は低いままであった。これらのことから、ZONE05
では、試験の早い段階から損傷が発生していたと（c）破断面

図3考えられる。

試験体破断写真

図4

全 CH を用いた重心周波数解析結果
—22—

図5

各 ZONE における重心周波数解析結果

文責

4. おわりに研究開発センター

研究開発グループ

本稿では、CFRP 製品における健全性評価手法

川﨑に、AE 法を用いた手法を紹介した。引張試験や拓参考文献

耐圧試験時に発生する AE 波の重心周波数を解析（1） F. Lissek, A. Haeger, V. Knoblauch, S. Hloch, F.

することにより、試験体の損傷を検知することが可能である。

Pude and M. Kaufeld：Acoustic emission for

実際の圧力容器を用いた試験では、重心周波数

interlaminar toughness testing of CFRP: Evaluationの変化を監視することで、損傷傾向を捉えることof the crack g rowth due to burst analysis,が確認され、本手法は十分な有効性があると考え

Composites, part B, 2018, pp.55-62（2） 川﨑拓、滝沢真実、他：水圧疲労試験によるられる。
一方で、小さな試験体を用いた引張試験と異な高圧水素用 CFRP 蓄圧器への AE 試験適用性

り、圧力容器では広範囲の損傷有無を監視するた

検討、IIC REVIEW、No.52、2014/10、pp.23-28

め、損傷に起因した AE 信号と、健全部から発生（3） H. Kawasaki and M. Takizawa：Study of theする AE 信号が複合されて検知されることが確認

Damage Evaluation method for the CFRP Material

された。

Using F.C.O.G part 2, Proc. in Acoustic Emission

今後はセンサの監視範囲を明確にすることで、XVⅡ, 2014, pp.111-116

着目箇所の情報を確実に得る方法や、損傷位置の推定方法を確立し、より精度の高い実機計測サービスを提供していく。

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