技術紹介

単繊維引張試験・モノフィラメント試験機の機能紹介と適用例
佐藤浩幸 *1

Sato Hiroyuki

深澤

強 *1

Fukasawa Tsuyoshi

近年さまざまな分野で使用されている樹脂複合材料の強度評価において重要な繊維 1 本（単繊維）の強度（1）を高精度で評価できる「モノフィラメント試験機 LEX820 」を 2018 年度に導入した。従来の電気機械式万能試験機を用いる試験方法と比較しながら、モノフィラメント試験機の特徴を紹介する。
キーワード：モノフィラメント、単繊維、低荷重引張試験、樹脂複合材料

（2）

（3）

（例えば JIS R 7606 、JIS R 1657 ）では、対象と1. はじめにする繊維径は 10mm 程度と細く、数 mN の微小な

近年、航空宇宙や自動車などの主要な構造物に試験力を測定する必要があるため、荷重容量の小樹脂複合材料の適用が進んでいる。樹脂複合材料

さい装置が適している。しかし低荷重で破壊するは金属に比べ強度、剛性が高く、適用部材の軽量材料の試験では、試験機や試験片取り付け部の剛化が期待できる。代表的なものとして、ガラス繊性の影響により、材料本来の力学的特性を計測で維強化プラスチック（GFRP）、炭素繊維強化プラ

きない場合がある。

スチック（CFRP）、セラミックマトリックス複合材

当社では、単繊維の強度評価を行うため、2018 年（CMC）などがある。さらに新しい複合材料の開発

度にモノフィラメント試験機 LEX820（荷重容量も盛んに行われており、素材の特性を評価する技2N）を導入した。本試験機はガラス繊維、炭素繊術の重要性が増している。樹脂複合材料の強度維、セラミック繊維などの試験に使用できる高精は、繊維と樹脂の特性および樹脂－繊維界面の密度な単繊維引張試験機である。

着強度が重要なファクターと言われている。よっ

本稿では、従来より広く用いられてきた電気機て繊維 1 本あたりの強度を正確に把握することが、械式万能試験機による試験片台紙を用いた試験方

樹脂複合材料を評価するうえで重要な一つの項目

法と本試験機による試験方法の比較を行い、機となる。今までは繊維の機械的性質の評価・測定

能、性能とともに、試験事例を紹介する。には電気機械式万能試験機を用い、試験片台紙に繊維 1 本を装着して引張試験を行う方法が広く用いられてきた。
繊維一本一本（以下単繊維と表す）の強度試験*1：計測事業部

材料試験部

次長

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45—

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ス方向に設置するレーザー回折直径測定装置に

2. 装置の紹介

よって繊維径計測が行われ、そのまま引張試験に

2.1 モノフィラメント試験機の基本的な構成と  ワークフロー試験機の外観を図 1（a）（b）（c）
、試験のワークフローを図 2 に示す。
本試験機の装置は、図 1（b）に示すとおり主に試料カセット、自動搬送システム、レーザー回折直径測定装置、DC マイクロメータードライブから構成される。試料カセットに装着されたプラス
チックタブ付き試験片は自動搬送システムにより測定部に搬送され、たるみ解消のために微荷重が与えられる（図 1（c））。その後、引張方向とクロ

図 1（b）LEX820 試験機の装置構成図 1（a）LEX820 試験機外観

図2

図 1（c）LEX820 試験機の測定部拡大（プラスチックタブ付き試験片）（1）

LEX820 の基本的なワークフロー—46—

（4）移行する。引張試験においては、DC マイクロメー

密引張試験については IIC REVIEW 58 号 に掲載

タードライブによって高精度な変位制御と位置検しているため参照いただきたい。

出を実現する。
2.3 試料作製
2.2 電気機械式万能試験機との性能比較

単繊維の引張試験の場合、一般的な試験片つか当社で樹脂複合材料用の繊維試験を行うことがみ具では繊維に損傷を与える可能性が生じる。そできる電気機械式万能試験機である INSTRON 5943のため繊維 1 本を試験片台紙に接着して負荷をかの性能を表 1 に、モノフィラメント試験機 LEX820ける方法が JIS R 7606 にて推奨されている。単繊の性能を表 2 に示す。

維試料の代表的な外観を図 3 に、JIS R 7606 に指定されている試験片台紙を図 4 に示す。

なお、INSTRON 5943 試験機で行った低荷重精表1

単繊維試験が可能な当社所有の電気機械式万能試験機の性能

表2

図3

モノフィラメント試験機の性能

単繊維試料の外観

図4—

47—

試験片台紙
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一方 LEX820 では、短く繊細な繊維に適した使データ記録は、試験片数に応じた連続繰り返し動い捨ての透明なプラスチックのタブ（ポリカーボ作が可能なため、同一単繊維を安定的に多数試験ネート）を使用する。タブの大きさは長さ 14mm、し、統計的に結果を評価できる。

幅 4mm、深さ 1.8mm である。繊維をタブ中央部分
2.4 取得データの V 字型のミゾに沿って置き、紫外線硬化型接着

本試験装置で取得可能なデータを下記に示す。

剤にて接着するため、繊維に曲げや余分な圧迫などの負荷をかけずに固定できる。プラスチックタ（1）繊維径ブの外観を図 5 に示す。単繊維試験片は両端をプ（2）弾性率ラスチックタブにて接着され、最大 20 試験片装填（3）最大荷重可能な専用試料カセットにセットし、試験機の所（4）引張強さ定の位置に取り付ける。カセットへ装着した外観（5）伸びを図 6 に示す。装填された試験片は、自動搬送シ（6）荷重－クロスヘッド変位線図

ステムにて図 1 の測定部に搬送され、レーザー回（7）装置コンプライアンス補正値

折直径測定装置による繊維径測定後、引張試験に（1）～（5）は個々の測定値の他、平均値や標準移行する。なお、図 2 に述べた③搬送開始から⑥偏差が算出される。
また得られるデータは、JIS R 7606、JIS R 1657に記載されている報告項目を満足している。
3. 試験事例
ここでは LEX820 にて JIS R 7606 に準拠し実施した単繊維引張試験の実施例を紹介する。試験対象は PAN 系炭素繊維 5 本である。試験チャートを
図 7 に、試験結果一覧を図 8 に示す。

図5プラスチックタブの外観

図6カセット装着外観（ゲージ長 25mm の一例）
—

48—

図7

図8引張試験チャート

試験結果一覧

ここで、図 8 の「弾性率」と「伸び」は装置コンる。したがって試験片そのものの値を評価するためには、それ以外の部位の影響を除去する必要がプライアンス補正をしたデータ例である。

ある。

次に LEX820 の特徴である「装置コンプライア

そのため、試験に先立ち、図 9 に示すように、ンス補正」について説明する。
「コンプライアンス」とは物体の変形しやすさをゲージ長の異なる複数の試験片を用いて各々のゲー定量化した物理量である。変形しやすさの指標とジ長のコンプライアンスを取得して、横軸をゲージして一般的に知られるものとして「ばね定数」があ長、縦軸をコンプライアンスとしてプロットするが、コンプライアンスはばね定数の逆数で与える。このとき、ゲージ長 0mm の値、すなわち近似られる。試験により得られる結果には、試験片そ線の切片から「装置コンプライアンス」を得る。このものの剛性と、試験機・試験片接着部・試験片の値を用いて、例えば弾性率の場合は式（1）で値台紙またはプラスチックタブなどの剛性が含まれを補正すれば、試験片そのものの値を算出できる。

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図9

装置コンプライアンスの求め方（1）

ETP = E / (1-K × DF/ DL)
ETP：補正後の弾性係数E：試験で得られた弾性係数

K：装置コンプライアンス

DF：荷重増加量DL：伸び増加量DF/DL：伸び－荷重線図の傾き（図 10 参照）
装置コンプライアンス補正を用いなかった場
図 10合、試験片そのものの物性値よりも弾性率の試験引張試験における荷重と伸びの関係結果は低く、伸びは大きく出る。そのため、補正
図 12 に示す。

することが推奨されているが、試験片台紙を使用する方法で装置コンプライアンスを求めるのは困図 12（a）は弾性率、図 12（b）は伸びの場合を示難である。一方 LEX820 には装置コンプライアンしている。これらは横軸を補正前、縦軸を補正後ス補正機能が実装されており、容易に実施することしたグラフであり、補正前後で値が変わらないとができる。

場合を黒い破線で表している。各 5 点のプロット

装置コンプライアンスの補正効果の例を図 11、

図 11

した結果を見ると、弾性率は黒破線よりも上に来装置コンプライアンスの補正効果の一例
—

50

—

図 12（a）補正効果（弾性率）

図 12（b）補正効果（伸び）ているため、補正前よりも補正後の値が大きくな（2）試験を行う試験片の直径を実測できるため、ることがわかる。同様に伸びは黒破線よりも下な正確な応力が算出できる。

ので、補正により値が小さくなることがわかる。

SEM では同等品の計測となり、試験片そのものの断面積は求められない。

4. まとめ（3）ゲージ長（標点間距離）を正確に測定できる。

従来より広く採用されている JIS R 7606、JIS R

プレテンションをかけることで初期たる1657 に準拠した試験片台紙を用いる試験方法と、みを除去し、正確な初期長さを測定可能。

当社で実施するモノフィラメント試験機を用いた（4）装置コンプライアンス補正を容易に行うこ試験方法との比較を表 3 に示す。とができる。

モノフィラメント試験での優位な点をまとめる

試験片標定部を除く装置、接着部の剛性と、以下のとおりである。

を補正するため、試験片そのものの物性値を得ることが可能。

（1）試験片台紙を使用しないため、試験片の長さ（5）サンプリング周波数が高い。

を短くできる。

高速サンプリングにより、荷重の時間変短繊維（リサイクル回収されたチョップド化に対する応答性に優れる。

繊維）の試験が可能である。
表3

試験片台紙を用いる試験と LEX820 による試験の比較—

51—

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表45. おわりに試験片の最短長さ単繊維引張試験など低荷重での試験は、試験機構成要素の性能や、つかみ具による試験片へのダメージ負荷の問題などから、材料本来の強度を計測することが困難な場合がある。本試験機の導入により、繊維径の実測や装置コンプライアンス補正による精度の高い試験が可能になった。現在の参考文献

課題は、繊維をプラスチックタブに接着する作業の際に余長が必要であり、表 4 のとおり試験に供（1）キーストンサイエンティフィック株式会社ホーする繊維の長さがゲージ長を大きく上回ることでム ペ ー ジ：http://www.keystone-scientific.co.jp/ある。短い繊維での試験のニーズが高まっている

index.html（2） JIS R 7606:2000：炭素繊維 - 単繊維の引張特性ため、今後は接着方法の最適化などを検討し、短の試験方法

い試験片での試験を目指す。

（3） JIS R 1657:2003：長繊維強化セラミックス複さらに、繊維の材質、特性、表面状態などに合材料の強化材特性試験方法

よってはうまく接着できない場合があるため、接着剤の検討を進め、炭素繊維、セラミック繊維以（4） 山本康博 : 卓上型精密万能試験機の機能紹介

外にも多様な繊維（ガラス繊維、有機繊維など）へと適用例、IIC REVIEW、No.58、2017/10、pp.62-の適用の可能性を見いだし、適用範囲の拡大と信66

頼性向上を目指していく。

計測事業部
材料試験部
次長

計測事業部
材料試験部
次長

佐藤 浩幸

深澤TEL. 045-791-3519
FAX. 045-791-3542

TEL. 045-791-3519
FAX. 045-791-3542—52—

強